De ontwikkeling van ‘smart grids’ (slimme elektriciteitsnetten) leent zich goed om het belang van digitale innovatie te illustreren. Het is ook een voorbeeld van de manier waarop digitale en sociale innovatie elkaar nodig hebben[1].
Elektriciteitscentrales maken nu nog gebruik van een infrastructuur die in zijn geheel is ontworpen voor gecentraliseerde elektriciteitsopwekking, gekenmerkt door eenrichtingsverkeer van producent naar consument.
Naar een gedecentraliseerde elektriciteitsvoorziening
De netwerkstructuur van de toekomst zal een meer gedecentraliseerd karakter hebben en veelal bestaan uit twee of drie lagen. Deze gelaagdheid zal bijdragen aan de stabiliteit van de stroomvoorziening, maar dat kan alleen dankzij vergaande digitalisering. Deze nieuwe structuur is voorop in ontwikkeling. In 2016 werd wereldwijd ongeveer $ 47 miljard besteed aan infrastructuur en software om het elektriciteitssysteem flexibeler te laten werken, hernieuwbare energie te integreren en klanten beter te bedienen.
Steeds meer huishoudens beschikken niet alleen over energie-verbruikende apparaten, maar ook over voorzieningen om elektriciteit op te wekken en op te slaan (warmtepompen, fotovoltaïsche apparatuur, elektrische voertuigen, stationaire batterijen). Veel energieconsumenten worden ook producenten van hun eigen energie (prosumenten) en daarmee ‘beheerders’ van een eigen mini-net. Ze interfereren hiermee met de gangbare stroomvoorziening en dit kan de stabiliteit van het hoofdnet beïnvloeden. Een gevolg kan zijn om de roep om het hoofdnet te verzwaren, wat miljarden kost.
Digitalisering: voorwaarde voor decentralisering
Het alternatief is om hoofdnet en mini-netten met elkaar laten communiceren. Het beheer van de productie van energie in grootschalige krachtcentrales (inclusief wind- en zonneparken) zal dan plaatsvinden in samenhang met de regulering van de in- en uitstroom van elektriciteit van het hoofdnet naar de mini-netten. Dat kan ook inhouden dat er signalen worden gegeven aan huishoudens om batterijen te laden of te ontladen en zelfs om de productie van energie te stoppen.
De beheersing van de verschillende elektriciteitsstromen vraagt om een geautomatiseerd monitoring- en controlesysteem. De uitwisseling van gegevens tussen mini-netten en hoofdnet heeft veel privacyaspecten, vooral als de netbeheerder toegang invloed krijgt op wat zich ‘achter de meter’ afspeelt. Om deze reden is een tussenlaag tussen hoofdnet en mini-netwerken van prosumenten zeer gewenst.
Het zijn lokale energiecoöperaties die de laag vormen tussen huishoudens en hun mini-netten en het hoofdnet, beheerd door de netbeheerder en van stroom voorzien door elektriciteitsbedrijven. Over coöperaties heb ik elders geschreven[2].
De energiecoöperatie: noodzakelijke schakel in energiebeheer
Een energiecoöperatie is een samenwerkingsverband van een kleine of middelgrote groep huishoudens. Huishoudens kunnen hierdoor hun overschotten en tekorten aan stroom onderling uitwisselen zonder directe tussenkomst van de netbeheerder of de elektriciteitsproducenten. De netbeheerder krijgt te maken met de overschotten en tekorten van het lokale net als geheel, waarmee de noodzaak om te interfereren in de mini-netten van individuele huishoudens vervalt.
De regulering van de stroom van en naar de mini-netten vindt plaats op coöperatieniveau. De coöperatie kan haar regulerende taak verder versterken door de ontwikkeling van lokale energiebronnen (wind- of zonnepark of aardwarmte) en de opslag daarvan in een districsbatterij. Het is zelfs mogelijk om lokale netwerken tijdelijk los te koppelen van het hoofdnet. Hierdoor ontstaat een situatie van autarkie, waardoor de veerkracht van het netwerk toeneemt bij storingen en calamiteiten[3].
Flexibele energieprizen: basis voor stabiliteit stroomvoorzienig
In een drievoudig gelaagde netwerkstructuur moeten vraag en aanbod van energie op twee plaatsen in evenwicht worden gehouden: Tussen huishoudens en energiecoöperatie en tussen energiecoöperatie en netbeheerder en elektriciteitsmaatschappijen. Deze structuur is een garantie voor stabiliteit in de energievoorziening op elk van de drie niveaus. Flexibele prijzen voor elektriciteit spelen hierbij een belangrijke rol. Dankzij het feit dat stroomproductie en -consumptie real-time worden gevolgd, kan de prijs van de elektriciteit van minuut tot minuut worden vastgesteld. In eerste instantie voor de coöperatie als geheel, maar eventueel ook voor elk huishouden afzonderlijk. Dit laatste kan aan interessant zijn voor huishoudens die zelf veel investeren in opslagcapaciteit en de batterijen volledig vullen als de prijs van elektriciteit laag is. Dit alles gebeurt langs digitale weg zonder tussenkomst van mensen, op basis van vooraf onderhandelde algoritmen.
Lage prijzen kunnen bijvoorbeeld resulteren in het automatisch laden van alle beschikbare batterijen, maar tegelijkertijd kunnen de elektriciteitsmaatschappijen besluiten om een deel van de stroom te gebruiken voor de productie van waterstof om zo de voorraad van duurzame energie aan te vullen.
De onderstaande video illustreert hoe een slim lokaal netwerk kan werken:
Dankzij de tussenkomst van een energiecoöperatie wordt Interferentie met de privacy van individuele prosumenten weliswaar niet beperkt, maar wel inzichtelijk gemaakt. Bovendien weten ze precies waaruit deze interferentie bestaat en zijn ze bij de sturing ervan betrokken.
Digitale en sociale innovatie komen samen
De energiecoöperatie is een plaats waar technische en sociale innovatie samenkomen[4]. Prosumenten beslissen samen over de algoritmen die de stroom van elektriciteit binnen het lokale netwerk beheren. Bijvoorbeeld wanneer alle beschikbare batterijcapaciteit wordt gebruikt (de inkoopprijs is laag) en wanneer stroom wordt verkocht aan het hoofdnet (de prijs is hoog). Zie hiervoor een kleinschalig voorbeeld in Amsterdam. Maar ze bepalen onder extreme omstandigheden ook wanneer huishoudens de productie van elektriciteit moeten matigen, bijvoorbeeld omdat de collectieve opslagcapaciteit van de coöperatie vol is en de capaciteit van het hoofdnet maximaal benut is waardoor de verkoopprijs van elektriciteit aan het hoofdnet negatief is. Waar de leden van de coöperatie samen de algoritmen binnen de coöperatie vaststellen, onderhandelen hun vertegenwoordigers met over de algoritmes van de netbeheerder en de betrokken elektriciteitsbedrijven.
Wellicht nog belangrijker is dat de leden van een coöperatie samen worden geconfronteerd met een steeds groter aantal opties om gezamenlijk energie te produceren, bijvoorbeeld door zelf een zonnepark te ontwikkelen of door collectieve deelname aan de bouw van een windmolen. Op lange termijn zijn deze opties veel goedkoper dan elk dak vol te leggen met zonnepanelen. Elders schreef ik over de kleine gemeenschap van Feldheim (Duitsland) die energie-autarkisch werd door collectieve besluitvorming, gedreven door het streven naar de laagst mogelijke kosten[5].
Het elektriciteitsnet van de toekomst zal de waarden van digitalisering en menselijke samenwerking omarmen: Het zal actieve sturing door prosumenten van vraag en aanbod van elektriciteit mogelijk maken en het gebruik van schone energie stimuleren.
[1]Deze post bevat veel informatie uit een recent boek: Promoting Digital Innovations to Advance Clean Energy Systems. Geredigeerd door Varun Sivaram, juni 2018. Dit boek kan gratis worden gedownload: https://cfrd8-files.cfr.org/sites/default/files/report_pdf/Essay%20Collection_Sivaram_Digital%20Decarbonization_FINAL_with%20cover_0.pdf
[2]https://www.expirion.nl/blog-19–energietransitie–samenwerken-verrijkt.html
[3]https://www.fastcompany.com/90263250/this-new-florida-neighborhood-has-zero-emissions-tons-of-smart-tech-and-is-hurricane-proof?utm_source=postup&utm_medium=email&utm_campaign=Fast%20Company%20Daily&position=2&partner=newsletter&campaign_date=11082018
[5]https://www.expirion.nl/blog-20–feldheim–100–energie-autarkisch.html
Het onlangs verschenen rapport van het UN Intergovernmental Panel on Climate Change
Betrokken wetenschap 