Technologie



Virtuele energiecentrale (VPP)

Definitie

Een virtuele energiecentrale is een cluster van decentrale eenheden op het elektriciteitsnet die via een gemeenschappelijk stuursysteem worden gecoördineerd. De eenheden kunnen stroomproducenten zijn, zoals installaties op biogas, windkracht, zonne-energie, WKK of waterkracht, maar ook stroomverbruikers, installaties voor energieopslag en Power-to-X-centrales (Power-to-Gas, Power-to-Heat). Het doel van een virtuele energiecentrale is het gezamenlijk aanbieden van de elektriciteit en flexibiliteit vanuit het netwerk van afzonderlijke installaties. 

Elke decentrale speler die op de elektriciteitsmarkt energie produceert, opslaat of verbruikt, kan deel uitmaken van een virtuele energiecentrale. Een centraal systeem coördineert niet alleen de afzonderlijke installaties in de virtuele energiecentrale via een speciaal algoritme, het reageert ook – net als grote energiecentrales – op de schommelingen op het net en op de vraag van transmissiesysteembeheerders om het reservevermogen aan te spreken. Op het vlak van de stroomhandel kan een virtuele energiecentrale ook snel en efficiënt reageren op prijssignalen van de elektriciteitsmarkten en de werking daaraan aanpassen.

Van individuele producent naar energienetwerk

Voor een energietransitie is meer nodig dan een kleine installatie. Om zich te kunnen handhaven op de elektriciteitsmarkt is het voor producenten van duurzame stroom een logische stap om samen te werken in grotere, functionele eenheden. Met dat idee in het achterhoofd ontstonden na de algemene liberalisering van de elektriciteitsmarkt in de jaren negentig de eerste, nog grotendeels theoretische concepten voor virtuele energiecentrales. Met de toenmalige stand van de computer- en netwerktechnologie en als gevolg van regelgeving was het destijds nog niet mogelijk om dergelijke projecten op een rendabele en systematisch voordelige manier op grotere schaal in praktijk te brengen. 

Rond 2010 deden zich twee zaken voor die de ontwikkeling van virtuele energiecentrales in een stroomversnelling brachten. Ten eerste was de computertechnologie geavanceerd genoeg geworden om een betrouwbaar, krachtig en realtime controlesysteem uit te bouwen. Daarnaast legde de Duitse regering de juridische en markteconomische fundamenten voor de energietransitie door de ‘Atomausstieg’ (het besluit om van kernenergie af te stappen), een nieuw ontwerp voor de elektriciteitsmarkt en de wijziging van de Wet op de hernieuwbare energiebronnen – de tijd was rijp voor de virtuele energiecentrale.

De collectieve intelligentie van decentrale eenheden

Virtuele energiecentrales spelen ongeveer dezelfde rol op de markt als een grote centrale en kunnen naargelang hun geïnstalleerde vermogen de omvang van een of meer kerncentrales evenaren. Omdat ze echter hoofdzakelijk bestaan uit een vertakt netwerk van installaties voor de opwekking van hernieuwbare energie, is de vermogensoutput voortdurend onderhevig aan schommelingen. Als de zon bijvoorbeeld niet schijnt en/of er weinig wind staat, leveren windmolens en zonnepanelen minder stroom aan de virtuele centrale. Naast een theoretisch onbeperkt aantal stroomproducenten kunnen ook stroomverbruikers, installaties voor elektriciteitsopslag en Power-to-X-oplossingen zoals Power-to-Gas (P2G) of Power-to-Heat (PtH) worden geïntegreerd in het netwerk.

Om de energiebalans te waarborgen, is het van groot belang dat de energie in een virtuele energiecentrale wordt opgewekt uit verschillende bronnen. Door de zeer beperkte opslagcapaciteit kan namelijk maar zoveel elektriciteit op het net worden geplaatst als er op dat moment wordt verbruikt, weliswaar met een kleine marge. Naast instabiele energiebronnen zoals wind en zon, zijn regelbare energiebronnen zoals biogas- en waterkrachtcentrales (doorstroomcentrales en pompcentrales), maar ook flexibele stroomverbruikers, installaties voor elektriciteitsopslag en Power-to-X-centrales dan ook erg belangrijk in de portefeuille van een virtuele energiecentrale. Al deze eenheden samen kunnen schommelingen in de stroomproductie als gevolg van windstilte of bewolking compenseren, zowel in positieve als in negatieve richting. 

Aanbod van flexibiliteit - Virtuele-Energiecentrale

Virtuele energiecentrales creëren flexibiliteit op de energiemarkt

Dit snelle en veelzijdige compensatievermogen, ook wel flexibiliteit genoemd, is het sterke punt van virtuele energiecentrales en hiermee onderscheiden ze zich duidelijk van de grote, traditionele centrales. Omdat ze zich snel kunnen aanpassen aan de beschikbare hoeveelheid elektriciteit op het net, kunnen ze met hun gecombineerde vermogen de elektriciteitsprijs op de markt optimaal volgen en zo hun opgewekte stroom bijzonder efficiënt aanbieden. Elektriciteit is namelijk niet altijd evenveel waard: bij de intradayhandel op de elektriciteitsbeurs verandert de energieprijs 96 keer per dag, en prijsverschillen van twee tot drie cijfers (spreads) per megawattuur zijn eerder regel dan uitzondering.

Elektriciteit is niet altijd evenveel waard – en er is niet altijd evenveel elektriciteit beschikbaar

Grote energiecentrales, die ontworpen zijn voor een zeer constante energiebevoorrading met generatoren van enkele honderden megawatts, stuiten als het op flexibiliteit aankomt echter snel op hun technische beperkingen. Net als een groot containerschip moet een bruinkoolcentrale een aanzienlijke ‘remweg’ afleggen voordat ze bijvoorbeeld op een toename van windenergie als gevolg van een stormfront kan reageren door de output van de turbines aan te passen. Om overbelasting te vermijden, moeten in een dergelijk geval de klimaatneutrale windenergiecentrales worden losgekoppeld van het net. 

Een virtuele energiecentrale daarentegen, geeft bij veel wind haar aangesloten biogas- en waterkrachtcentrales eenvoudigweg de opdracht om de output te verminderen. Zodra er vervolgens weer te weinig elektriciteit op het net is, verhoogt het stuursysteem de stroomproductie van de biogas- en waterkrachtcentrales weer. Zo compenseert de virtuele energiecentrale eventuele schommelingen in de stroomproductie rechtstreeks en in real time en ondervindt het openbare elektriciteitsnet geen hinder. Het stuursysteem verzendt de commando's voor het verhogen of verlagen van de energietoevoer via de in de installatie geïntegreerde IT-interfaces (API) of via afstandsbedieningsunits.

Interfaces en netwerkverbindingen in de virtuele energiecentrale

De overdracht van besturingscommando's en gegevens tussen het sterk beveiligde, redundant ingerichte stuursysteem en de installaties vindt plaats via speciaal beveiligde dataverbindingen met zogeheten ‘tunnelling’. Dankzij ‘tunnelling’ kunnen verbindingen gebruikmaken van de openbare communicatie-infrastructuur terwijl ze door hun protocollen afgeschermd zijn van het overige dataverkeer. Hier kunnen ook modewoorden worden genoemd als ‘Internet Of Things’, ‘Industry 4.0’ en ‘M2M’ – in de praktijk zijn dit speciaal beveiligde, afgeschermde mobiele en vaste dataverbindingen. 

Deze dataverbindingen zorgen voor tweerichtingscommunicatie tussen de individuele installaties en de virtuele energiecentrale. Op die manier worden niet alleen besturingscommando's uitgewisseld, maar kunnen ook continu en in real time nuttige gegevens worden verzameld over de benuttingsgraad van de aangesloten installaties en dus van de totale virtuele centrale. Op basis van de gegevens die worden verzameld over de geproduceerde wind- en zonne-energie, het energieverbruik en de energieopslag, kunnen nauwkeurige prognoses worden opgesteld om bijvoorbeeld de energieprijzen te voorspellen of om de benuttingsgraad van de regelbare centrales te bepalen. De gegevens worden grotendeels autonoom geanalyseerd en verwerkt via de software van de virtuele energiecentrale. Daarnaast voert de software ook belangrijke taken uit bij het initiëren en uitvoeren van handelstransacties op de elektriciteitsbeurs.

Reservevermogen uit virtuele energiecentrales

Regelbare systemen voor de opwekking van elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen, zoals biogas- of waterkrachtcentrales, maar ook blokverwarmingsinstallaties (micro-WKK's) en noodstroomcentrales hebben een speciale functie: ze kunnen niet alleen hun elektriciteitsproductie verminderen of onderbreken in geval van een overaanbod aan energie (negatief regelvermogen), maar kunnen ook extra elektriciteit leveren aan het net wanneer er een energietekort is (positief regelvermogen). 

Om reservevermogen te kunnen aanbieden, moet een energiecentrale minstens één megawatt (vroeger vijf megawatt) kunnen opwekken. Om die drempel te bereiken, kan een energiecentrale zich verenigen met andere installaties in een virtuele energiecentrale. Samen kan dit netwerk op die manier ook reageren op een grotere vraag naar reservevermogen van de transmissienetbeheerders, waarbij de inkomsten uit de handel in dat reservevermogen worden verdeeld. Ook stroomverbruikers kunnen negatief regelvermogen aanbieden: zo kan een industriële onderneming die is aangesloten op de virtuele energiecentrale het bevel krijgen om haar productie op te starten en overtollige elektriciteit van het net af te nemen.

Stroomverbruikers in virtuele energiecentrales

Dankzij alle gegevens die in de virtuele energiecentrale worden verzameld, kunnen commerciële en industriële verbruikers rechtstreeks meeprofiteren van de prijssignalen op de elektriciteitsmarkt. Dit betekent dat elektriciteit exact dan kan worden verbruikt wanneer er een groot aanbod is op de markt en de prijs laag is. Als een productiebedrijf zijn piekverbruik verplaatst naar deze gunstige periodes, kan het tot een derde van zijn elektriciteitskosten besparen.

Een virtuele energiecentrale kan deze optimalisatie desgewenst ook volledig automatisch uitvoeren: het stuursysteem van de centrale stuurt dan een signaal naar het machinebeheer van het bedrijf, maar grijpt natuurlijk slechts in het verbruiksproces in voor zover dat mogelijk en noodzakelijk is. Hiervoor is wel een speciale elektriciteitsmeter nodig, die het verbruikte vermogen registreert en die pas vanaf een jaarlijks verbruik van 100.000 kWh voorzien is.

Gezinnen moeten wachten op de invoering van slimme meters

Aangezien het verbruik van particuliere huishoudens veel lager ligt, kunnen deze pas in virtuele energiecentrales worden geïntegreerd wanneer overal slimme meters zijn ingevoerd. Die zullen hopelijk al in de nabije toekomst de oude driefasemeters uit de jaren twintig vervangen, honderd jaar na hun introductie. Door het gebruik van verwarming, fornuis, wasmachine, koelkast en warm water op een slimme manier te optimaliseren op basis van de prijsschommelingen op de elektriciteitsmarkt, zullen ook gezinnen hun stroomverbruik op een kostenefficiënte manier kunnen regelen.

Virtuele energiecentrales digitaliseren de energiesector

De toekomst is digitaal en de energiesector vormt hierop geen uitzondering. Net als alle andere sectoren van de samenleving ondergaat ook de stroomvoorziening wereldwijd structurele veranderingen: van grote, fossiele energiecentrales naar kleine, decentrale eenheden die samen een netwerk vormen dankzij de groeiende mogelijkheden van digitalisering.

Net als hotelplatforms die geen eigen hotels meer hebben en autodeelplatforms die niet langer over een eigen wagenpark beschikken, zorgen virtuele energiecentrales voor een democratisering van de energievoorziening, waarbij de verantwoordelijkheid weer bij de samenleving komt te liggen. De beheerder van de virtuele energiecentrale beschikt immers niet meer over eigen centrales, maar optimaliseert alleen het gebruik van de op het netwerk aangesloten, kleine elektriciteitscentrales van derden. De grootste virtuele centrales hebben nu al de grootste kerncentrales ver achter zich gelaten als het gaat om geïnstalleerd vermogen en produceren via hun netwerk klimaatneutrale stroom die klaar is voor de komende uitdagingen op de elektriciteitsmarkt.

Zowel de elektrificatie van het verkeer als het exponentieel toenemende aantal netwerkknooppunten en datacenters als gevolg van de digitalisering, vragen grote hoeveelheden stroom – en die kan met het oog op de klimaatbescherming niet met conventionele middelen en/of uit één enkele energiebron worden opgewekt. Dankzij hun veelzijdige technologieën en energiebronnen en hun gedecentraliseerde en hybride benadering hebben virtuele energiecentrales dan ook alles in huis voor de energiewereld van morgen.

Wat is een virtuele energiecentrale?

Energiemarkten zijn wereldwijd sterk aan het veranderen. We verschuiven van een model met gecentraliseerde productie in elektriciteitscentrales van grote nutsbedrijven naar een mix van decentrale en vaak hernieuwbare energieopwekking in kleine installaties. Deze kleine installaties zijn meestal eigendom van kleine bedrijven of huishoudens, die ‘prosumenten’ genoemd worden: afhankelijk van de lokale productie zijn ze consument of producent.

Wij ervaren momenteel een ware paradigmaverschuiving. De conventionele manier waarop het elektriciteitssysteem wordt beheerd, wordt in vraag gesteld door de toegenomen hernieuwbare energieopwekking. Businessmodellen moeten heruitgevonden worden en het ontwerp en de uitbating van onze netten moet herbekeken worden. De variabiliteit van hernieuwbare bronnen vraagt om een gepaste oplossing om de stabilitiet van het energiesysteem ten allen tijde te garanderen. Dat is precies waar de virtuele elektriciteitscentrale (VPP) in het spel komt.

Een virtuele energiecentrale is een verzameling of ‘pool’ van verschillende kleine en middelgrote installaties die elektriciteit consumeren of produceren. Individuele kleine centrales kunnen in het algemeen geen diensten aanbieden zoals reserve-elektriciteit, voldoen vaak niet aan de minimale biedingsvolumes op de markt of hebben niet de capaciteit om zelf hun productie optimaal in de markt te zetten. Daarbovenop zijn er strikte eisen ten aanzien van de beschikbaarheid en de betrouwbaarheid van de flexibiliteit die aangeboden wordt op de markt. De oplossing om deze barrières te overwinnen is eenvoudig: samenwerken! Het basisidee waarrond de virtuele energiecentrale gevormd werd, is de mengeling van verschillende soorten flexibele productie- en consumptie-eenheden die gecontroleerd worden door een centraal intelligent systeem. Op deze manier kan een VPP dezelfde diensten verlenen en op dezelfde markten handelen als de grote centrale elektriciteitscentrales of industriële klanten.

Om de flexibele aanvraag en productie optimaal te gebruiken en om de betrouwbaarheid van conventionele centrales te evenaren en zelfs beter te presteren, worden slimme algoritmes en voorspellingsmethoden gebruikt. De VPP gebruikt weersvoorspellingen om enerzijds het verbruik en anderzijds de productie door hernieuwbare bronnen zoals wind of zon te voorspellen. Het algoritme beslist welke eenheden ingeschakeld of uitgeschakeld worden of van welke eenheden het werkingspunt dient te veranderen.

De flexibiliteit kan gevaloriseerd worden op verschillende markten, zoals de langetermijn-, kortetermijn, reserve- en de onbalansmarkten. Aangezien de prijzen op deze markten kunnen veranderen, geeft de ideale VPP de installatie toegang tot alle relevante markten in het energiesysteem. In functie van de marktprijzen, de beschikbaarheid en de technische kenmerken, kan een flexibel proces wisselend ingezet worden als tertiaire reserve of op de intraday markt.

Voordelen van een virtuele elektriciteitscentrale

Het spreekt voor zich dat het samenvoegen van verschillende eenheden door een centraal controlesysteem een grote hoeveelheid voordelen biedt. Hiervan zijn de belangrijkste voordelen:

Systeemvoordelen

  • Biedingen van reservevermogen met een grotere beschikbaarheid en redundantie vertonen een lager bulkrisico; de service hangt niet af van de beschikbaarheid van enkele grote installaties.
  • Door meer biedingen op reservemarkt en op de kortetermijnmarkt verlaagt het algemene prijsniveau op beide markten.
  • De baan wordt geëffend voor een groter aandeel hernieuwbare energieopwekking in ons elektriciteitssysteem.
Voordelen voor de eigenaars van de eenheden

  • Schaalvoordelen: administratiekosten en hardwarekosten om flexibiliteit op de markt te bieden zijn hoog voor individuele installaties
  • Toegang tot de nieuwe markten die niet toegankelijk zijn voor individuele installaties. Nieuwe inkomsten voor de eigenaar van de installatie, zonder grote aanpassingen aan de installatie.

Uitdagingen

De verdere introductie van VPP’s kent toch ook enkele uitdagingen, waaronder:

  • Ons huidige elektriciteitsnet werd ontworpen met centrale opwekking in het achterhoofd. Het werkt goed wanneer energie van de productiekant naar de consumptiekant gebracht moet worden. Nu energiestromen bidirectioneel en stuurbaar worden, moet het netwerk uitwisselingen van energie toelaten waarvoor het niet ontworpen is. Ook al kan een VPP het net helpen ontlasten, moeten netbeheerders nog steeds in infrastructuur investeren en tegelijkertijd de transitie mogelijk maken. Onderinvestering in netwerkinfrastructuur belemmert het volle potentieel van virtuele energiecentrales.
  • De communicatie tussen de verschillende installaties en het controlesysteem moet vlekkeloos en veilig gebeuren. Nieuwe protocollen en standaarden zijn in ontwikkeling en het is een uitdaging de werking tussen de standaarden en de apparaten van verschillende fabrikanten te verzekeren.