Onderzeese ZeekabelS op Gelijkstroom

1.Wisselstroom of gelijkstroom voor HS-transport?

Sinds 2015 komen kennen de windmolens op zee een grote expansie. In het kader van de GREEN DEAL zal deze productietechniek enorm groeien. Het streefdoel is tegen 2050 in Europa geen CO2 emissie meer. Zeekabels op gelijkstroom naar de windparken van meer dan 1 GW zijn nodig op hoge spanningen (tot 500 kV in verband met de secties van de geleiders) is een veelbelovende techniek. Die werkwijze is niet nieuw en werd reeds in de jaren 1960 toegepast in de Verenigde Staten voor transport van grote hoeveelheden over zeer grote afstanden (>200 km) (ook reeds in 1961 tussen Calais en Lydd maar slechts 0,16 GW Lees>>>).
Maar over gans de wereld zijn alle E-netten op wisselspanning uitgebouwd (in Europa op de frequentie van 50 Hz).
Voordeel: eenvoudig op hogere of lagere spanning te transformeren en dat de elektriciteit verdeelt zich zelfregelend over vermaasde hoogspanningsnetten (weg van de kleinste weerstand). Dit is handig bij bijvoorbeeld bij een onvoorziene uitschakeling van een grote productieeenheid of bij geplande stillegging van een lijn voor onderhoud. Dit kan ook een nadeel zijn omdat men de stromen moeilijk zelf kan sturen. Na een storing zullen ogenblikkelijk alle productieeenheden in het gekoppeld netdeel van Europa de freqentiedaling ervaren en ogenblikkelijk hun vermogen bijsturen. In de minuten erna kunnen via de nationale dispatch-contoleposten de nodige instructies geven aan de nationale centrales om de energieuitwisselingen met het buitenland terug op de overeengekomen waarde te brengen. Het minder zelfregelend vermogen in een wisselstroom vermaasd net is de hoofreden om de verbinding Zeebrugge-Avelgem niet te riskeren in gelijkstroom.
Bij gelijkstroom moeten zeer dure conversiestations gelijkstroom-wisselstroom of omgekeerd geboud worden en deze moeten gestuurd worden om in te grijpen. Deze regeling is ingewikkeld en niet zo ogenblikkelijk als bij een vermaasd HS-net met transformatoren.
Een ander nadeel is dat bij elke hapering, foute meting of ongekende situatie volledige de installatie wordt afgeschakeld om de hoogtechnologische infrastructuur te beschermen.
Gelijkstroomkabels kunnen lange afstanden ondergrondse maar gedragen zich elektrisch anders dan luchtlijnen. Bij kabels ontstaat reactief vermogen bij luchtlijnen inductief vermogen. Dat zijn een soort “bijproducten” die leiden tot een verlies van de transportcapaciteit. Om dit te compenseren moeten extra toestellen (bijvoorbeeld spoelen) worden geïnstalleerd. Om deze redenenen is eer meestal een beperking in afstand voor ondergronds brengen van luchtlijnen. Ook voor lange luchtlijnen zijn door de zelfinductie op grote afstanden zelfinductiecompensaties nodig. Door de combinatie van kabels en spoelen ontstaan resonanties. Dit brengt de stabiliteit van het elektriciteitsnet in gevaar.
Verder is er ook het probleem van koeling. Hoogspanningsverbindingen produceren warmte. Bovengrondse luchtlijnen geraken die warmte makkelijk kwijt aan de buitenlucht. Ondergrondse kabels koelen minder goed af. De warmte kan minder goed afgevoerd worden via de grond. Daardoor zijn meer ondergrondse kabels in parallel nodig om hetzelfde vermogen te transporteren als een luchtlijn.
Een ander nadeel is dat deze conversiestations zeer duur zijn en een grote oppervlakte vereisen. In vergelijking met een AC-luchtlijn is een DC- kabel oplossing mogelijk op grotere afstanden maar een tiental keer duurder, en dit voornamelijk door de kosten van de conversiestations
Een groot voordeel van wisselstroom is de flexibiliteit voor uitbreidingen van het HS-net. Het invoegen van een aftakking of een nieuwe HS post is eenvoudig.
De Europese elektrische backbone bestaat vandaag voor 98% uit luchtlijnen 380kV in wisselstroom. In verband met investeringsprijs en koeling zijn dit over grote afstanden steeds luchtlijnen. 

2. Nieuwe HS-lijn Ventilus dwars door West-Vlaanderen nodig?

De Stevin-lijn is een ‘antenne’ vanuit Zomergem die de enige verbinding vormt tussen de HS-post in Zeebrugge en de rest van het Belgische 380kV-hoogspanningsnet. Met de Stevin-lijn werd een eerste stap gezet om het 380kV-net uit te bouwen naar de kust, met een onthaalcapaciteit van 3 GW, de maximale capaciteit die bij een ernstig incident op de as ogenblikkelijk kan opgevangen worden via de Europese frequentie vliegzwiel. Maar de elektriciteitsproductie verplaatst zich echter meer en meer naar de kustregio. Op middellange termijn wordt de mogelijke elektriciteitsproductie in de Noordzee (offshore) en in de provincie West- Vlaanderen (onshore) geraamd op meer dan 7 GW. Het hoogspanningsnet in de kustregio moet verder worden uitgebouwd vanuit het vermazingsprincipe. Ter vergelijking: de kritische productie-eenheden Doel (3 GW) en Tihange (3 GW) vormen knooppunten die beiden zijn verbonden met meerdere elektriciteitsverbindingen en optimaal vermaasd zijn.

3. Ventilus ondergronds mogelijk? (dan nodig gelijkstroom)

Voor de inpassing van de DC-technologie voor Ventilus in het vermaasde AC-hoofdtransportnet te beoordeelden Elia hebben de betrokken Belgische academici dit als een niet-redelijke technologie. Op korte termijn zal het voorziene vermogen in de kustregio toenemen tot meer dan 7 GW. Doorheen het hele design en de keuze van de technologie dient er bijgevolg specifieke aandacht besteed te worden aan realistische incidenten in de kustregio die kunnen leiden tot het ogenblikkelijk verlies van meer dan 3 GW aan productie, gezien dit de stabiliteit van de synchrone Europese Continentale Zone in gedrang kan brengen.
De grootste handicap van gelijkstroom is dat het voor het specifieke geval van Ventilus onaanvaardbare risico’s met zich meebrengt als het ingebouwd wordt in het vermaasde AC-netwerk.  Gelet op de cruciale functie van de Ventilus corridor voor de 380kV-backbone en voor de energietransitie, dient voor deze verbinding een technologie gebruikt te worden die geen afbreuk doet aan de globale betrouwbaarheid van het transmissienet. Er werden ook verhoogde risico’s voor de algemene net-stabiliteit en hoge faalkansen van de DC-apparatuur vermeld. Hierdoor is deze technologie niet voldoende matuur is om een stabiele werking van het net te garanderen in alle uitbatingstoestanden. 

4. Toekomstig zee-HS-net?

De Europese Commissie wil volgens de Green Deal op korte termijn tot de maatregelen komen die nodig zijn voor de versnelde uitbouw van offshore windproductie onder meer via een aangepaste netontwikkeling. 

Om het potentieel van het Noordzeegebied optimaal te benutten, is de ontwikkeling van een elektriciteitsnet in zee nodig. In eerste instantie wordt gekeken naar hybride interconnecties (die tegelijkertijd de functie van interconnectie en aansluiting van (een) windpark(en) voorzien). Ook denkt men aan de aanleg van vermaasde elektriciteitsnetten op zee en offshore energiehubs die verbonden zijn met meerdere landen onderzocht. Hierdoor fungeert de Noordzee niet alleen als productiegebied, maar wordt dit gebied ook een knooppunt van elektriciteitsnetten waarmee ook het Belgische elektriciteitsnet op land zal verbonden zijn.
Dit kan met gebruikmaking van wisselstroom en gelijkstroom technologieën en betreft ook mogelijkheden tot inschakeling van waterstofproductie.

DE BLIEDMAKER zal nog opzoeken hoe deze windparken via gelijkstroom kunnen verbonden worden met het vaste land. Windmolens geven normaal hun output in wisselstrom zodading dat die kan opgetransformeerd wiirden (vb 66 kV voor Duinkerke) via transformatoren in de mast van de windmolen. aldus is een verbinding mogelijk naar een centraal MOG systeem. Kan op zo'n klein eiland (meestal op palen) een converterstation gebouwd worden? De huidige landexemplaren nemen zeer veel oppervlakte in.
Indien de nieuwe technologie zoiets toelaat kan veel synergie ontstaan tussen de windparken van Duinkerke en de Prinses Elisabeth Park evenals synergie tussen de 2 geplande gelijkstroomconnectoren Nautilus en GridlLink.
Wellicht is TRACTEBEL dit momenteel aan het bestuderen in opdracht van Elia.

DC-verbindingen hebben het grote voordeel dat er geen reactieve compensatie nodig is bij ondergrondse kabels voor het realiseren van grote afstanden (dus ideaal voor onderzees). Er kan beroep gedaan te worden op de MTDC-technologie (Multi-terminal DC), waarbij er meerdere DC-convertoren met elkaar verbonden zijn aan de DC zijde (vb MOGII en 1 van de 2 interconnectors Nautilus of Denemarken (tesamen <3.000 MW voor reserve Europees net.
Het gebruik van Multi-terminal HVDC is in een stroomversnelling geraakt. Hieronder de door ELIA gekende projecten die worden gekenmerkt door het transport van energie over zeer grote afstanden (North East Agra) of verbindingen onder water (Nanao, Zhoushan, Atlantic wind connection, SACOI). De Duitse regulator laat nog geen Multi-terminal toepassingen toe in het Duitse net (zeker niet voor 2030), gezien de zeer hoge kostprijs en het feit dat deze technologie (in het bijzonder de gelijkstroomvermogenschakelaars die nodig zijn om een HVDC-net selectief te beveiligen) nog te veel risico’s met zich mee brengt.

Minister van Energie Tinne Van Der Straeten (Groen) heeft donderdag een eerste akkoord ondertekend met haar Deense college Dan Jørgensen 1.400 MW900 miljoen tot 1,2 miljard euro.

7.Referenties Energie-eilanden Duitsland

In de noordzee bij de Duitse kust zijn veel eilanden in dienst of in constructie Lees situatie februari 2020 >>>

Ook is er een internationaal consortium opgericht: NSWPH:  "North Sea Wind Power Hub" die studies en testresultaten heeft verzameld in 6 concept raporten. Het modular "Hub-and-Spoke" werd er ontwikkeld om toekomsige windparken te integreren om op een kosten efficiente manier deze hernieuwbare energie van zee naar land te brengen in het kader van het akkord van Parijs (zowel electriciteit als "blauwe waterstof").
Voorstel voor een typische hub (te verwachten vanaf 2030)
Men voorspelt dat in de toekomst meerdere HVDC verbindingen zullen ontataan tussen verschillenfe "hubs" die de E-productie van de omgevende windmolens verzamelen (tot max 12 GW)  (nu nog zonder combinatie van "blauwe waterstof" productie). Voorbeeld: verbinding tussen Duitsland en Denemarken over het Krieger Flakt windpark.
Men denkt aan diverse soorten eilanden vooral in functie van de grootte van de hub. De electriciteitsverbindingen over grote afstanden gebeurt steeds op gelijkstroom DC. Hiervoor heeft iedere hub een vrij volumineuze AC/DC converter aan boord. Men denkt aan schaalgrootten van 10 tot 15 GW. Zandeilanden alleen voor extreenm hoge vermogens >36 GW (zal wellicht nooit komen?)
Al typische toekomstige veel voorkomende configuratie wordt gedacht aan:
1. De windmolens transformeren hun spanning op naar 66.
2. kabels naar de hub op 66 kV-AC (meestal < 12 km)
3. op de hub ingangstransf 66/380 kV-AC
4. AC/DC converterstation op 525 kV-DC
5. kabels naar ander hub of naar land op 525 kV-DC
6. op het land converterstation DCAC met uitgangsspanning 380 kV-AC
Indien ook "blauwe waterstof" op de Hub (vb wanneer productie electriciteit > vraag)
7. Hydrolyse installatie wordt gevoed door 500 kV-DC (2 systemen: alkaline of proton exchange membrane (PEM))
8. ontziltingsinstaalatie voor zeewater alvorens hydrolyse
9. comprimeren H2 tot 50 a 70 bar
10. naar land voor opslag of in het net via nieuwe of gerecupereerde pijpleidingen 

Door het nternationaal consortium NSWPH werden als oefening 4 locaties in de Noordzee bestudeerd (technisch, economisch en milieu). (1) Nederlandse territoriale wateren op de Dogger Bank (Natura 2000 area), (2) Nederlandse territoriale wateren op het zuidelijk deel van de Dogger Bank, (3) Deense terriotoriale wateren ten westen van Jutland en (4) Verder in de Deense terriotoriale wateren en gedeeltelijk in de Noorse territoriale wateren. De investeringen voor het eiland bedaragen maar 3 tot 7% van de totale investeringskost windmolens+hub+transmissie. De kost van de kabels tussen hub en land ongeveer 15%. De vollast-beschikbaarheid ligt op de 4 plaatsen tussen 48 en 55% (stel gemiddeld 50%).
Het "hub en Spoke" systeem is modulair en kan stap per stap uitgebouwd worden.Het verbindt ook de Noordzeelanden tot een gigantisch windenergienet (schatting 150 GW in 2040?). Het zal wel ergens veel waaien. De uitbouw van deze elektriciteitsnetten mag niet meer land per land gebeuren. "Onshore grid integration is already a challenge for the currently planned offshore wind farms'.

8. Politieke tegenstand tegen het Ventilus project.

Het protest tegen en de ongerustheid over de hoogspanningsverbinding Ventilus groot. Door het protest zit het project geblokkeerd (mei 2020). 

De federale regering, die verantwoordelijk is voor de windmolenparken, wil dat de Vlaamse ­regering zo snel mogelijk aan netbeheerder Elia een vergunning aflevert. ‘Maar zo werkt het niet. Er zijn te veel vragen over de gezondheid en de gebruikte technologie’, zegt Vlaams minister van Omgeving en Energie Zuhal Demir (N-VA). 

Daarom heeft ze met Guy Vloebergh een intendant aangesteld. Hij moet als neutrale figuur in alle onafhankelijkheid met alle partijen in overleg gaan. Hij krijgt zes maanden (vanaf mei 2020) de tijd om antwoorden te geven op de vragen van de burgers en hun vertrouwen te winnen. De bedoeling is dat hij het project weer op de rails krijgt en bemiddelt over een voorkeurtracé. 

Tot nu concentreerde het protest zich vooral in Zedelgem, maar ook de burgemeesters van Brugge, Torhout, Oostkamp, Wingene en Lichtervelde staan negatief tegenover de plannen. 

Vloebergh werkt als stedenbouwkundige en ruimtelijk planner. Hij is ook onderzoeker en gastprofessor aan de Universiteit Antwerpen. Hij heeft ervaring met complexe bouwprojecten in de Gentse Kanaalzone, de Haven van Antwerpen en het grensoverschrijdende strategische project Albertknoop (Maastricht-Lanaken). (