De Virtuele Energiecentrale

Met meer hernieuwbare energiebronnen komt ook de behoefte om energie te delen. De virtuele energiecentrale combineert verschillende stroomproductiesystemen en stroomgebruikers, die samen beheerd worden. Het streeft naar een collectieve levering van elektriciteit en vermogen uit een netwerk van deze systemen. Dit concept gaat een sleutelrol spelen in de energietransitie.

Productiesystemen binnen zo’n netwerk zijn bijvoorbeeld biogasinstallaties, windkracht, zonne-energie, een warmtekrachtcentrale (WKK) of waterkracht. Daarnaast zijn er in het netwerk verbruikers van stroom, systemen voor opslag van energie en Power-to-X centrales (power-to-gas en power-to-heat)

Iedere speler die op de elektriciteitsmarkt energie produceert, opslaat of verbruikt, kan meedoen aan zo’n virtuele energiecentrale.  Een algoritme stemt de verschillende installaties binnen het netwerk af. Daardoor kunnen alle deelnemende systemen – net als een grote energiecentrale – reageren op de fluctaties van het net en op de signalen van netbeheerders om reservevermogen te benutten. Een virtuele energiecentrale kan ook snel en efficiënt inspelen op prijssignalen van de elektriciteitsmarkten. De virtuele energiecentrale gaat een cruciale rol spelen bij de energietransitie. Producenten van duurzame stroom bijvoorbeeld, kunnen veel beter opereren op de elektriciteitsmarkt als ze hun krachten bundelen in grotere functionele eenheden.

Geschiedenis van de centrale

Na de liberalisering van de elektriciteitsmarkt ontstonden in de jaren negentig van de vorige eeuw de eerste ideeën over virtuele energiecentrales. Noch de regelgeving, noch de computertechnologie waren toen klaar om dergelijke projecten in praktijk te brengen.

Rond 2010 veranderde dat. Niet alleen was de computertechnologie ver genoeg ontwikkeld om een betrouwbaar, krachtig en real-time controlesysteem te ontwikkelen, ook de regelgeving paste zich aan. Dit gebeurde eerst in Duitsland door de ‘Atomausstieg’ (het besluit om van kernenergie af te stappen). De Duitse regering legde de juridische en markteconomische basis met een nieuw ontwerp voor de elektriciteitsmarkt en een wijziging van de Wet op de hernieuwbare energiebronnen.

Collectieve intelligentie

Inmiddels vervullen virtuele energiecentrales dezelfde taak op de markt als een grote energiecentrale. En hun geïnstalleerde vermogen is vergelijkbaar met de omvang van een kerncentrales, met één belangrijk verschil. Omdat ze vooral bestaan uit een vertakt netwerk van systemen voor hernieuwbare energieopwek, is de vermogensoutput permanent onderworpen aan fluctuaties. Het bekende voorbeeld: als de zon niet schijnt en/of er weinig wind waait, leveren windmolens en zonnepanelen minder stroom aan de virtuele centrale. En naast producenten van stroom zijn er ook de verbruikers van stroom; systemen voor elektriciteitsopslag en Power-to-X-oplossingen zoals Power-to-Gas (PtG) of Power-to-Heat (PtH).

Voor energiebalans zijn naast de instabiele energiebronnen zoals wind en zon, regelbare energiebronnen z- oals biogas- en waterkrachtcentrales (doorstroomcentrales en pompcentrales), maar ook flexibele stroomverbruikers, systemen voor elektriciteitsopslag en Power-to-X-centrales – onmisbaar in een virtuele energiecentrale. Al deze gecombineerde systemen kunnen fluctuaties in de stroomproductie goedmaken, zowel in positieve als in negatieve richting.

Viruele centrales zijn zeer flexibel

Dit snelle en veelzijdige compensatievermogen – we noemen dat ook wel flexibiliteit – is de troef van virtuele energiecentrales. Ze onderscheiden zich hiermee van de grote, traditionele centrales. Ze kunnen zich namelijk aanpassen aan de voorradige hoeveelheid elektriciteit op het net, en met hun gebundelde vermogen de elektriciteitsprijs op de markt optimaal volgen en op die manier de opgewekte stroom zeer efficiënt leveren. De prijzen van energie fluctueren namelijk sterk: op de intraday markt; de energieprijs verandert 96 keer per dag en prijsverschillen van twee tot drie cijfers (spreads) per megawattuur komen regelmatig voor.

Grote energiecentrales zijn gebouwd voor een constante energiebevoorrading met generatoren van enkele honderden megawatts. Aan- en afschakelen van zulke centrales kost tijd; vergelijkbaar met een containerschip moeten ze een lange remweg af leggen om tot stilstand te komen. Een voorbeeld: bij een plotselinge toename van wind worden windturbines nu vaak uitgezet om overbelasting van het net te voorkomen. Een virtuele energiecentrale kan bij veel wind haar aangesloten biogas- en waterkrachtcentrales simpelweg opdracht geven om hun energieproductie te reduceren. Wanneer de stroomvraag weer toeneemt, kan het stuursysteem de stroomproductie weer opvoeren. Virtuele energiecentrales compenseren fluctuaties real-time en rechtstreeks in de stroomproductie, waardoor het  openbare elektriciteitsnet in balans blijft. 

Hoe gebeurt de sturing?

Het stuursysteem van een virtuele energiecentrale stuurt de opdracht voor het verhogen of verlagen van de energietoevoer met behulp van de IT-interfaces (API) en afstandsbedieningsunits. De besturingsopdrachten binnen het zeer beveiligde, redundant ingerichte stuursysteem worden via speciaal beveiligde dataverbindingen met zogenaamde ‘tunnelling’ verstuurd. ‘Tunnelling’ houdt in dat verbindingen de openbare communicatie-infrastructuur benutten, terwijl ze door hun protocollen beschermd zijn tegen het andere dataverkeer. Het is een techniek die binnen het ‘Internet Of Things’ en concepten als ‘Industry 4.0’ en ‘M2M’ veel wordt toegepast.

Deze dataverbindingen maken tweerichtingscommunicatie tussen de individuele systemen en de virtuele energiecentrale mogelijk. Zo worden niet enkel besturingsopdrachten uitgewisseld, maar de centrale verzamelt ook in real-time nuttige gegevens over het gebruik van de aangesloten systemen en de effecten op de totale virtuele energiecentrale. Zo dienen gegevens over de geproduceerde wind- en zonne-energie en het energieverbruik en -opslag, als basis voor prognoses om de energieprijzen in te schatten of om de benuttingsgraad van de regelbare centrales te bepalen. Deze informatie kan de centrale zelfstandig analyseren en verwerken. De software ondersteunt vervolgens bij het inleiden en uitvoeren van handelstransacties op de elektriciteitsmarkten.

Reservevermogen

De bestuurbare systemen – we noemen dat ook wel regelbaar vermogen – voor de opwekking van elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen hebben een bijzondere functie. We kunnen ze niet alleen afschakelen bij een overaanbod van energie – negatief regelvermogen – ze kunnen ook extra elektriciteit leveren aan het net indien er een energietekort is – positief regelvermogen.

Een energiecentrale moet minstens één megawatt (kunnen opwekken om reservevermogen te mogen leveren, Daarvoor kan een opweksysteem samenwerken met andere systemen in de virtuele energiecentrale. Zo kan dit netwerk inspelen op de vraag naar reservevermogen van netbeheerders. De inkomsten uit de handel in dat reservevermogen worden dan verdeeld over de deelnemende systemen. Verbruikers van stroom kunnen negatief regelvermogen aanbieden: een fabriek die meedoet in de virtuele energiecentrale kan bijvoorbeeld de productie opvoeren om overtollige elektriciteit van het net af te nemen en daarvoor ook nog betaald krijgen!

De gebruikers

Met de gegevens die de virtuele energiecentrale verzamelt, kunnen commerciële en industriële verbruikers reageren op prijssignalen uit de elektriciteitsmarkt. Ze kunnen elektriciteit verbruiken wanneer er een groot aanbod is op de markt en de prijs laag is. Als een productiebedrijf zijn piekverbruik verplaatst naar deze voordelige periodes, kan het tot een derde van zijn elektriciteitskosten besparen.

Een virtuele energiecentrale kan deze optimalisatie volledig automatisch uitvoeren. Het stuursysteem van de centrale verzendt daarvoor een signaal, bijvoorbeeld naar het machinebeheer van een aangesloten bedrijf. Dit kan natuurlijk alleen als dit binnen het verbruiksproces mogelijk en noodzakelijk is. Hiervoor is een speciale elektriciteitsmeter nodig, die in staat is om een jaarlijks verbruik van meer dan 100.000 kWh te meten.

En particulieren?

Het verbruik van particuliere huishoudens is natuurlijk veel lager, maar ook zij kunnen prima meedraaien in een virtuele centrale. Dat kan echter pas als iedereen van een slimme meter is voorzien. Het gebruik van verwarming, fornuis, wasmachine, koelkast en warm water is ook geautomatiseerd te optimaliseren aan de hand van de prijsfluctuaties op de elektriciteitsmarkt. Gezinnen zullen hun stroomverbruik én opwek in de toekomst dus ook op een kostenefficiënte manier kunnen afstemmen.

De toekomst is digitaal

De toekomst is digitaal en dat geldt ook voor de energiesector. We gaan van grote, fossiele energiecentrales naar kleine, gedecentraliseerde systemen die samen een netwerk vormen. Allemaal mogelijk geworden door digitalisering.

Net als platforms zoals AirBNB  zorgen virtuele energiecentrales voor democratisering; in dit geval van de energievoorziening. De beheerder van een virtuele energiecentrale beschikt immers niet meer over eigen centrales, maar optimaliseert het gebruik van de op het netwerk aangesloten, kleine elektriciteitscentrales van anderen. De grootste virtuele centrales hebben qua geïnstalleerd vermogen al flinke kerncentrales achter zich gelaten. Ze produceren via hun netwerk klimaatneutrale stroom en leveren zo een substantiële bijdrage aan de energietransitie.

Aangejaagd door grote verbruikers zoals onze huishoudens, het verkeer en datacenters, stijgt de vraag naar stroom enorm. Willen we het klimaat beschermen dan kunnen we met conventionele middelen aan die vraag simpelweg niet voldoen. Dankzij computertechnologie en gedecentraliseerde energiebronnen zijn virtuele energiecentrales daarom dé route naar een nieuw energielandschap.