Een van de grote mobiliteitstransities van het moment is de elektrificatie van vervoermiddelen. Deze verandering heeft niet alleen impact op het verkeersdomein, maar ook op het energiedomein. De auteurs Colin Willemsen en Jop Spoelstra vertellen ons over die impact én over het belang van strategische modellen om de impact in goede banen te leiden.
Dat onze vervoermiddelen elektrisch worden, heeft enkele interessante ‘neveneffecten’. Eén is dat elektrificatie onze mobiliteitspatronen verandert. De elektrische fiets en zeker de ‘speed pedelec’ maakt bijvoorbeeld fietsen over grotere afstanden veel aantrekkelijker: 25 kilometer naar het werk fietsen, is ineens geen onoverkomelijkheid meer. Rijden met een elektrische auto bepaalt weer de keuze van een parkeerlocatie. En bij de logistiek en het openbaar vervoer verandert het (tussentijds) laden zowel de routering als de planning.
Uitdagingen zijn er ook aan de voorzieningenzijde. Voor al die nieuwe motorvoertuigen zijn laadpunten nodig, maar waar en hoeveel? De elektrische bus bijvoorbeeld moet binnen een specifiek tijdslot in de dienstregeling voldoende worden bijgeladen – en er moet op dat moment dus gegarandeerd een laadplek beschikbaar zijn. Als het gaat om ‘gewone’ elektrische voertuigen, is er weer de vraag hoe je (vakantie)piekdruktes kunt opvangen: wat heb je daarvoor nodig aan voorzieningen?
Om deze impact op ons mobiliteitssysteem in goede banen te leiden, zullen we de komende jaren nog heel wat moeten rekenen en prognosticeren. Daar hebben we strategische verkeersmodellen absoluut bij nodig, maar die moeten daar dan wel klaar voor zijn. Onze tour-based modellen zullen we bijvoorbeeld moeten uitrusten met een ‘elektrificatiemodule’, zodat de (realistische) mogelijkheden tot laden voor, tijdens of na een rit worden meegenomen bij het uitzetten van de tour.
Energiedomein
Maar tot zover de impact op specifiek het mobiliteitsdomein. De elektrificatie van vervoermiddelen heeft echter ook een forse impact op het energiedomein.
Het elektriciteitsnetwerk in Nederland zit al jaren aan zijn taks. Er wordt weliswaar hard gewerkt aan uitbreiding, maar net als in de mobiliteit wordt een netwerk aangelegd voor decennia – terwijl de ontwikkelingen op dat netwerk juist razendsnel gaan. Er is de overgang naar zonne- en windenergie, er is sprake van een elektrificatie van huishoudens en de industrie, en dan is er dus die elektrificatie van het vervoer. Ook de netbeheerders zijn daarom erg geïnteresseerd in de vervoersontwikkelingen in de toekomst, bijvoorbeeld om in te schatten hoeveel vermogen elektrisch vervoer zal vragen in een (nieuwe) wijk en waar er vraag zal ontstaan naar all electric logistieke centra.
Regionale netbeheerders maken bij dit soort analyses gebruik van rekenmodellen. Vergeleken met een verkeersnet heeft het elektriciteitsnet het voordeel dat de ‘infrastructuurgebruikers’, de elektronen, zich te allen tijde rationeel gedragen volgens strikt gedefinieerde natuurkundige wetten. Maar het nadeel van elektriciteit is weer dat een tijdelijke overbelasting van de infrastructuur niet slechts tot ‘file’ leidt, maar al snel tot brand in de infrastructuur, tot grote veiligheidsrisico’s en langdurige uitval. Nauwkeurig en betrouwbaar modelleren is dus een absoluut vereiste.
Modellen voor het laagspanningsnet
Nu zullen de lezers van NM Magazine niet heel vaak met modellen voor elektriciteitsnetwerken te maken hebben. Maar omdat de verdere elektrificatie van verkeer en vervoer mede afhangt van wat er op het elektriciteitsnet gebeurt, geven we hier toch graag een korte introductie op deze bijzondere ‘netwerkmodellen’.
Voor dit artikel concentreren we ons op het zogenoemde laagspanningsnet, LS-net: de infrastructuur vanaf het transformatorstation in de woonwijk naar de meterkast thuis. Alle transport- en distributie-infrastructuur tot aan de meterkast is geregistreerd in GIS-software.1TenneT beheert het transport. De distributie wordt verzorgd door Alliander, Enexis, Stedin, Rendo, Cogas en Westland Infra. Met behulp van modellen van alle assets in het LS-net – denk aan transformatoren, kabels, moffen en zekeringen – kunnen we voorspellen hoe de stromen zich verdelen en wat de spanningen worden in elke meterkast. Dit laatste is van belang omdat de omvormer van iemands zonnepanelen afschakelt bij spanningen hoger dan 253 Volt; een te lage spanning kan weer schade veroorzaken aan apparaten thuis. Een te hoge stroom in het elektriciteitsnet zal op zijn beurt gepaard gaan met uitval, omdat de zekeringen dan doorbranden.
Voor het berekenen van de spanningen en stromen is het belangrijk te weten wat de belasting van het netwerk is. Dit is het moeilijkste onderdeel van de berekening: het gaat om een inschatting van het verbruik van alle huishoudens en andere ‘gebruikers’ in een LS-net, dat meestal zo’n 200 tot 400 woningen omvat. Het Nederlandse bedrijf Phase to Phase heeft voor deze complexe rekentaak in 2020 een nieuw model ontwikkeld,2Netbeheerders in Nederland maken vrijwel standaard gebruik van de planning-, ontwerp- en beheersoftware, inclusief rekenmodellen, van Phase to Phase. gebaseerd op een promotieonderzoek aan de TU Eindhoven. Dit model bestaat uit meerdere gecombineerde normaalverdelingen die de basisbelasting van een huishouden representeren. Zo’n Gaussian Mixture Model varieert met tijd en wordt getraind met behulp van slimme meterdata. Het belastingmodel van een huishouden kan vervolgens aangevuld worden met modellen die een laadpaal, zonnepaneel of warmtepomp representeren. Ook deze modellen variëren over tijd en zijn soms aan elkaar gekoppeld – de zon in een wijk schijnt immers overal op dezelfde tijd.
Met deze verzameling ‘deelmodellen’ wordt eerst het piek- en dalmoment bepaald. Dit zijn de twee uitersten waar congestie te verwachten is: een te hoge stroom of een te hoge of lage spanning. Op deze twee momenten worden honderden loadflow berekeningen uitgevoerd op basis van een zogenaamde Monte Carlo-simulatie. Met de resultaten van die simulatie worden vervolgens de te verwachten spanningen en stromen in het netwerk berekend.
Uitdagingen
Een uitdaging hierbij is dat de netten veelal worden uitgerold voor dertig jaar of meer en dat de modellen dus ook ver vooruit moeten kijken. Een inschatting maken van het gebruik van de basisbelasting en van zonnepanelen is met zo’n tijdshorizon nog wel te doen. Maar het inschatten van het toekomstig gebruik van een laadpaal of een warmtepomp is veel complexer. Daar speelt namelijk mede de vraag hoe ‘slim’ die systemen kunnen worden ingezet. Het laden van een auto op het piekmoment van de zonnepanelen bijvoorbeeld is een grote win voor de netbeheerder en daarmee ook voor de gebruiker van elektriciteit. Bij hogere penetratiegraden van elektrische voertuigen, kunnen batterijen van geparkeerde voertuigen bovendien een rol gaan spelen in de ‘load balancing’ in het elektriciteitsnetwerk. Verder kan het verschuiven van een laadsessie of het uitsmeren over een langere periode uitkomst bieden.
Als eenmaal duidelijk is hoe het gebruik zich gaat ontwikkelen, dan is er nog de uitdaging om de juiste maatregelen te treffen. Dit varieert van het vervangen van een kabel of een transformator tot het bijplaatsen van middenspanningsruimtes en het vervangen van de gehele infrastructuur. Maar zoals in zoveel bedrijfstakken is er een enorm gebrek aan personeel om deze werkzaamheden uit te voeren. Er lopen daarom initiatieven om verzwaringen van het net zo goed mogelijk te prioriteren, om zodoende de materialen en bemensing optimaal in te zetten.
Op dit moment zijn er ook onderzoeken gaande naar het genoemde ‘slim’ gebruik van elektriciteit. Binnen het innovatieproject GO-e bijvoorbeeld wordt onderzocht in hoeverre stochastische modellen kunnen helpen de effecten op netten te berekenen van verschillende toekomstscenario’s van slimme energiediensten. Ook wordt er onderzoek gedaan naar de belasting van warmtepompen en elektrische auto’s in 2030 en daarna. Dit is allemaal nodig om de toekomstige belasting van het elektriciteitsnet in te schatten en om verzwaringen te prioriteren of misschien zelfs te voorkomen.
Tot slot
De elektrificatie van onze vervoermiddelen is met recht een transitie te noemen – een transitie met de nodige impact op de toch al veranderende werelden van mobiliteit en energie. Modellen helpen beleidsmakers om de gevolgen van de transitie te voorzien en zich erop voor te bereiden. Dat zowel ons wegennet als ons elektriciteitsnet al danig belast zijn, maakt die ondersteuning alleen maar noodzakelijker.
____
De auteurs
Colin Willemsen, MSc, is consultant bij Phase to Phase.
Jop Spoelstra, MSc, is innovatiemanager bij Technolution.
