Nieuwe generatie elektrotechnische ingenieurs hard nodig voor slagen energietransitie

Door Marcel Burger

Ook voor Shell, dat offshore windparken bouwt om groene waterstof te maken om industrieën en zwaar transport te helpen verduurzamen, en hard op zoek is naar net afgestudeerde elektrotechnisch ingenieurs die de energietransitie vooruithelpen. Heb jij wat de energietransitie nodig heeft? Lees dan dit verhaal.

Het uitdokteren van power electronics in de energiesector lijkt veel op het plannen van je vakantie naar, laten we zeggen, Spanje. Ga je met het vliegtuig, auto of trein; en ben je eenmaal in het land welke bus brengt je vervolgens naar je hostel, camping of hotel, of kun je er gemakkelijk naartoe lopen?

Yin Sun, Senior Researcher Offshore Wind bij Shell: "Hoe zet je het aerodynamische en mechanische draaien van een windturbine om in elektriciteit en hoe ga je die op de juiste sterke leveren aan het Nederlandse elektriciteitsnet, met de eindgebruiker in gedachte? Dat is de grote uitdaging.”

Van de wieken van de windturbine tot lekker op de bank genieten van je favoriete Netflix- of HBO Max-serie moet elektriciteit veel "vertaalslagen" maken. Bij het verlaten van de windturbine moet de laagspanning (690 V) worden verhoogd naar 66 kV voor de interface van de zogenoemde inter-arraykabel die van de turbine onder de zeebodem naar de eerste offshore-stroomtransformator loopt.

Van daaruit gaat het via een efficiëntere 220 kV-hoogspanningskabel naar land, waar het onshore substation het voltage verder verhoogt tot 380 kV-hoogspanningsvermogen. Dat is nodig om over langere afstand het elektriciteitsverlies zo klein mogelijk te maken. In Europa is het netwerk van 380 kilovolt feitelijk de elektriciteitssnelweg voor zowel huishoudelijk als grensoverschrijdend stroomtransport. Landen als de Verenigde Staten, China en Brazilië gebruiken vaak nog hoger voltages van 500 en 750 kV, dat op grotere afstanden nog efficiënter is.

"De kunst is om onderweg zo min mogelijk verlies te hebben," zegt Sun, "en om te kiezen wat het beste werkt: de gelijkstroom (Direct Current; DC) van Thomas Edison of de wisselstroom (Alternating Current; AC) van Nikola Tesla. Voor beide zijn er verschillende voor- en nadelen, afhankelijk van de afstand van het offshore windpark tot de kust."

Verder weg van de kust

In principe wordt wisselstroom (AC) gebruikt, want dat werkt normaal gesproken het beste. Het biedt de meest kosteneffectieve oplossing voor offshore windprojecten dichtbij land. Maar omdat er nabij de kust op een gegeven moment al veel windturbines staan, worden nieuwe windparken vaak verder op zee gepland. Daarvoor biedt hoogspanningsgelijkstroom (HVDC) is dan meestal een aantrekkelijke oplossing, waarbij de kosten van de transmissie-infrastructuur zeer dicht bij die van hoogspanningswisselstroom (HVAC) liggen.

Er is een technisch trucje dat de stabiliteit van de stroomvoorziening van windparken en de integratie in het netwerk vergemakkelijkt: de Modular Multilevel Converter-HDVC, dat het een en ander managet. Geen overbodige luxe, aangezien een foute opzet grote gevolgen kan hebben. Dat gebeurde bijvoorbeeld bij het Hornsea One windpark 120 kilometer uit de kust van het Britse Yorkshire op 9 august 2019, waar het systeem compleet uitviel en een miljoen Britten plots zonder stroom zaten en de uitbater circa 5 miljoen euro aan schadevergoeding betaalde.

Het is dus de taak van elektrotechnische ingenieurs om zowel de leveringszekerheid te garanderen, en ook de financiële risico’s voor de exploitant van een windpark acceptabel te houden. Yin Sun: "Gelijkstroom is het meest kosteneffectief wanneer een windpark zich verder uit de kust bevindt, en als de elektronica zo kan worden geprogrammeerd dat het voldoet aan de integratie-eisen van de netbeheerder. Maar de aanvankelijke kosten, of CAPEX, voor HVDC zijn wel hoog in vergelijking met HVAC. Er is namelijk een extra AC/DC-converteerstation nodig. Voor korte afstanden is hoogspanningsgelijkstroom dus geen goede economische keuze.”

Huishoudboekje

Net als bij het huishoudboekje is het maken van een boodschappenlijstje voor windpark-systeemintegratie geen kwestie van zwart of wit. Er moeten afwegingen worden gemaakt tussen kosten en baten. Dat is waar elektrotechnici om de hoek komen kijken. "Om windenergie goed te laten functioneren, moet men een zeer complex besturingssysteem bouwen. Bovendien moet je het bouwen met de technologie van vandaag, maar wel zo dat het over 10 tot 20 jaar nog steeds een haalbare oplossing is."

Met andere woorden: als je het niet meteen vanaf het begin goed doet, dan heb je een probleem. Sun vat het zo samen: "Je moet per geval kijken welke oplossing het beste is. Op korte afstanden van 20 tot 30 kilometer, is wisselstroom altijd de juiste keuze, maar voor alles meer dan 70 kilometer moet je als elektrotechnisch ingenieur bewijzen dat je oplossing de goede is. Zelfs voor hoogspanningsgelijkstroom moet altijd in detail worden gekeken naar hoe de convertercontroller op de windturbine en de HVDC-convertercontroller met elkaar “praten”, om vooraf alle mogelijke scenario’s voor het goed draaiend houden te garanderen.”

Sun voegt toe: “Hoe geweldig de apparatuur zelf ook is, het is aan de elektrotechnisch ingenieur om exact te begrijpen wat er gebeurt met welke instellingen en in welke situaties. Een verkeerde berekening kan er zelfs toe leiden dat je werkgever, de exploitant van het windpark, zijn license-to-operate verliest, en dan loopt de schade gerust op tot een paar honderd miljoen euro."

Nieuwe generatie wizards

Om verder te komen in de energietransitie hebben we een nieuwe generatie “power wizkids” nodig, die precies weten hoe hernieuwbare bronnen efficiënt kunnen worden ingezet, ook om ze aan te sluiten op andere energiecentrales zoals de Holland Hydrogen 1 van Shell. Met 200 MW geïnstalleerd vermogen wordt deze nieuwe fabriek op de Maasvlakte bij Rotterdam bij de ingebruikname in 2026 de grootste groene waterstoffaciliteit van Europa.

Martijn Lunshof is Elektrotechnisch Onderzoeker binnen Shells “groene waterstofteam". "De waterstofcentrale bestaat uit elektrolysers,” zegt hij, “die de duurzame elektriciteit opgewekt met wind en zon gebruikt om volledig duurzame waterstof. Daarbij wordt CO2 afgevangen en bij voorkeur ook hergebruikt. Die groene waterstof is hard nodig om industrieën, het zware transport en de maritieme sector te verduurzamen. Want andere oplossingen, zoals batterijen werken voor die sectoren niet, omdat hun capaciteit te beperkt is, en/of ze te zwaar zijn voor de dagelijkse activiteiten."

Nadeel van de thyristor

Elektrolysers hebben een specifieke spanning/stroomcurve wat betekent dat er bij een bepaalde stroom (H2-productie) een corresponderend voltage is. Dit kan betekenen dat als de elektrolyser op 20% draait, het voltage op 400 volt gelijkstroom (Vdc) moet uitkomen. Draait de elektrolyser op 100%, dan zou dit kunnen betekenen dat het kan dit betekenen dat het voltage naar 450 Vdc moet. Als de elektrolyser zijn stroom simpelweg van het gewone elektriciteitsnet haalt, dan kun je de spanningscontrole door thyristor-gebaseerde rectifiers laten doen die dan het juiste voltage regelen. Maar een nadeel van de thyristor is dat die de stroomkwaliteit beïnvloedt, en die moet dan worden gecorrigeerd door een harmonisch filter en statische compensatie. Of je kiest voor andere power electronics, zoals een spanningsbronconverter.

"Elektrolyse-installaties hebben veel meer elektrische apparatuur nodig dan conventionele olie- en gascentrales; het verschil is ongeveer 40% versus 15%," zegt Lunshof. Voor bedrijven als Shell is het hebben van uitvoerige kennis over die power electronics geen nice-to-have, het is een must-have.”

Grootverbruiker van elektriciteit

Voor bedrijven als Shell betekent dit een nieuwe manier van werken. "In conventionele olie en gas zijn we grotendeels eigenaar van onze distributie-infrastructuur. Maar voor een elektrolyse-installatie worden we een grootverbruiker van elektriciteit en moeten we de elektrische aansluiting van de netbeheerder gebruiken of zelf grote onderstations bouwen om de vereiste hernieuwbare energie aan onze centrales te leveren. Bovendien is het zijn van klant van het elektriciteitsnet behoorlijk duur, en de aansluitkosten zullen waarschijnlijk elk jaar stijgen."

Wie het nieuws goed volgt, heeft bovendien gezien dat er in grote delen van Nederland problemen zijn met juist dat elektriciteitsnet. Er is onvoldoende capaciteit en alleen de overheid heeft wettelijk controle over deze basisnutsvoorziening van het land. Volgens experts brengt dit de uitrol van grootschalige hernieuwbare energieprojecten, zoals duurzame waterstoffabrieken, in gevaar. Uitbreiding van de netcapaciteit gaat te veel tijd kosten, vrezen ze.

Daarnaast zijn oplossingen nodig voor hoe zonne- en windparken op het nationale stroomnet aansluiten, want met wolken voor de zon of verschil in windkracht gaat de levering op en neer (intermitterend gedrag van hernieuwbare bronnen). Dus zijn power electronics en tijdelijke opslag nodig om de belasting op het netwerk te regelen.

Hoe kunnen we het beste in de nacht opereren?

Een elektrotechnisch ingenieur in de energiesector betekent dat je een soort detective bent. Niet alleen zoek je uit hoe de power electronics moeten worden ingezet en afgesteld, maar ook wat er nog meer nodig is. Lunshof: "Helpt het om batterijen toe te voegen voor energieopslag, of is het beter om ze weg te laten? Hoe kunnen we het beste in de nacht opereren, als er geen zon is?"

Hij vervolgt: "Onze toekomstige elektrotechnici moeten een keuze maken tussen het gebruik van bestaande technologieën en materialen, of het beschrijven en ontwerpen van nieuwe technologieën en materialen. Ze moeten uitzoeken of hardware- of softwareaanpassingen nodig zijn en hoe ze de beste installatie van de minste grootte en met de hoogste efficiëntie kunnen implementeren. En hoe die winstgevend zal zijn, wat betekent dat de genivelleerde kosten uit groene waterstof concurrerend zijn met waterstof gemaakt met fossiele brandstoffen, zoals aardgas."

Hoe eenvoudig windenergie op het eerste oog ook lijkt, er komt veel meer bij kijken dan alleen het aansluiten van een windturbine op het net. Vermogenselektronica en – bovenal – slimme, creatieve denkers die uitzoeken wat het beste is, kunnen de energietransitie – en daarmee de toekomst – maken of breken.