Virtuele energiecentrale (VPP)

Een definitie

Een virtuele energiecentrale is een groep gedecentraliseerde entiteiten op het elektriciteitsnet die via een collectief stuursysteem worden beheerd. De entiteiten kunnen producenten van stroom zijn, zoals systemen op biogas, windkracht, zonne-energie, WKK of waterkracht, maar ook verbruikers van stroom, systemen voor de opslag van energie en Power-to-X-centrales (Power-to-Gas, Power-to-Heat). De ambitie van een virtuele energiecentrale is het collectief leveren van de elektriciteit en flexibiliteit vanuit het netwerk van verschillende systemen.

Iedere gedecentraliseerde speler die op de elektriciteitsmarkt energie produceert, opslaat of verbruikt, kan toetreden tot een virtuele energiecentrale. Een centraal systeem stemt niet enkel de verschillende installaties in de virtuele energiecentrale via een bijzonder algoritme af, het reageert ook – precies zoals grote energiecentrales – op de fluctuaties op het net en op de behoefte van beheerders van transmissiesystemen om het reservevermogen te benutten. Wat de stroomhandel betreft: een virtuele energiecentrale kan ook snel en efficiënt inspelen op prijssignalen van de elektriciteitsmarkten en de activiteit 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 gedecentraliseerde entiteiten

Virtuele energiecentrales vervullen min of meer dezelfde taak op de markt als een grote centrale en kunnen op basis van hun geïnstalleerde vermogen de omvang van een of meer kerncentrales evenaren. Maar aangezien ze voornamelijk bestaan uit een vertakt netwerk van systemen voor de opwekking van hernieuwbare energie, is de vermogensoutput constant onderworpen aan fluctuaties. Als de zon bijvoorbeeld niet schijnt en/of er weinig wind waait, leveren windmolens en zonnepanelen minder stroom aan de virtuele centrale. Naast een theoretisch onbegrensd aantal producenten van stroom kunnen ook verbruikers van stroom, systemen voor elektriciteitsopslag en Power-to-X-oplossingen zoals Power-to-Gas (P2G) of Power-to-Heat (PtH) worden opgenomen in het netwerk.

Om de energiebalans te garanderen, is het essentieel om de energie in een virtuele energiecentrale op te wekken uit allerlei bronnen. Door de kleine opslagcapaciteit kan namelijk maar zoveel elektriciteit op het net worden geplaatst als er op hetzelfde ogenblik wordt verbruikt,  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, systemen voor elektriciteitsopslag en Power-to-X-centrales natuurlijk onmisbaar in de portefeuille van een virtuele energiecentrale. Al deze gecombineerde entiteiten kunnen fluctuaties in de stroomproductie als gevolg van windstilte of bewolking goedmaken, zowel in positieve als in negatieve richting.

Virtuele energiecentrales zorgen voor flexibiliteit op de energiemarkt

Dit snelle en veelzijdige compensatievermogen, ook wel als flexibiliteit gekend, is de troef van virtuele energiecentrales en hiermee differentiëren ze zich duidelijk van de grote, traditionele centrales. Aangezien ze zich snel kunnen aanpassen aan de voorradige hoeveelheid elektriciteit op het net, kunnen ze met hun gebundelde vermogen de elektriciteitsprijs op de markt optimaal volgen en op die manier hun opgewekte stroom erg efficiënt leveren. Elektriciteit is namelijk niet steeds hetzelfde bedrag 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 schering en inslag.

Elektriciteit is niet altijd hetzelfde bedrag waard – en er is niet altijd evenveel elektriciteit voorhanden

Grote energiecentrales, die gebouwd zijn voor een zeer constante energiebevoorrading met generatoren van enkele honderden megawatts, bereiken op het vlak van snelheid hun technische grenzen. Net als een omvangrijk containerschip moet een bruinkoolcentrale een lange ‘remweg’ afleggen voordat ze bijvoorbeeld op een groei van windenergie als gevolg van een stormfront kan inspelen door de output van de turbines te wijzigen. Om overbelasting te voorkomen, dienen in zo’n geval de klimaatneutrale windenergiecentrales te worden losgekoppeld van het net.

Een virtuele energiecentrale echter, draagt bij veel wind haar aangesloten biogas- en waterkrachtcentrales gewoon op om de output te reduceren. Zodra er nadien opnieuw te weinig elektriciteit op het net is, verhoogt het stuursysteem de stroomproductie van de biogas- en waterkrachtcentrales wederom. Zo compenseert de virtuele energiecentrale eventuele fluctuaties in de stroomproductie rechtstreeks en in real time en wordt het openbare elektriciteitsnet niet verstoord. Het stuursysteem stuurt de opdracht voor het verhogen of verlagen van de energietoevoer met behulp van de in de installatie geïntegreerde IT-interfaces (API) of afstandsbedieningsunits.


Interfaces en netwerkverbindingen in de virtuele energiecentrale

De transfer van besturingsopdrachten en gegevens tussen het erg beveiligde, redundant ingerichte stuursysteem en de systemen gebeurt via speciaal beveiligde dataverbindingen met zogenaamde ‘tunnelling’. ‘Tunnelling’ betekent dat verbindingen de openbare communicatie-infrastructuur kunnen benutten terwijl ze door hun protocollen beschermd zijn tegen het andere dataverkeer. Hier kunnen ook modewoorden worden vermeld als ‘Internet Of Things’, ‘Industry 4.0’ en ‘M2M’ – dit zijn eigenlijk speciaal beveiligde, afgeschermde mobiele en vaste dataverbindingen. 

Deze dataverbindingen maken tweerichtingscommunicatie tussen de individuele systemen en de virtuele energiecentrale mogelijk. Zo worden niet enkel besturingsopdrachten uitgewisseld, maar kunnen ook ononderbroken en in real time nuttige gegevens worden vergaard over de benuttingsgraad van de aangesloten systemen en bijgevolg van de totale virtuele centrale. De verzamelde gegevens met betrekking tot de geproduceerde wind- en zonne-energie, het energieverbruik en de energieopslag, dienen als basis voor nauwkeurige prognoses om bijvoorbeeld de energieprijzen in te schatten of om de benuttingsgraad van de regelbare centrales te bepalen. De gegevens worden voornamelijk autonoom geanalyseerd en verwerkt met behulp van de software van de virtuele energiecentrale. Bovendien voert de software belangrijke taken uit bij het inleiden en uitvoeren van handelstransacties op de elektriciteitsbeurs.

Reservevermogen uit virtuele energiecentrales

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

Om reservevermogen te kunnen leveren, moet een energiecentrale minstens één megawatt (vroeger vijf megawatt) kunnen opwekken. Hiervoor kan een energiecentrale samenwerken met andere systemen in een virtuele energiecentrale. Zo kan dit netwerk ook inspelen op een grotere vraag naar reservevermogen van de transmissienetbeheerders, waarbij de inkomsten uit de handel in dat reservevermogen worden verdeeld. Ook verbruikers van stroom kunnen negatief regelvermogen aanbieden: een industriële onderneming die deel uitmaakt van de virtuele energiecentrale kan bijvoorbeeld de opdracht krijgen om haar productie te lanceren en redundante elektriciteit van het net af te nemen.

Verbruikers in virtuele energiecentrales

Gegevens die in de virtuele energiecentrale worden bijeengebracht, bieden commerciële en industriële verbruikers de kans om mee te genieten van de prijssignalen op de elektriciteitsmarkt. Dit betekent dat elektriciteit 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 voordelige periodes, kan het tot een derde van zijn elektriciteitskosten besparen.

Een virtuele energiecentrale kan deze optimalisatie zelfs volledig automatisch tot stand brengen: het stuursysteem van de centrale verzendt in dat geval een signaal naar het machinebeheer van het bedrijf, maar komt natuurlijk slechts in het verbruiksproces tussen voor zover dat mogelijk en noodzakelijk is. Hiervoor is echter een speciale elektriciteitsmeter nodig, die het verbruikte vermogen meet en die pas vanaf een jaarlijks verbruik van 100.000 kWh voorzien is.

Gezinnen moeten wachten op de invoering van slimme meters

Het verbruik van particuliere huishoudens ligt veel lager. Zij kunnen dus pas in virtuele energiecentrales worden geïntegreerd wanneer overal slimme meters beschikbaar zijn. Hopelijk zullen die heel binnenkort de oude driefasemeters uit de jaren 1920 vervangen, honderd jaar na hun invoering. Door het gebruik van verwarming, fornuis, wasmachine, koelkast en warm water op een intelligente manier te optimaliseren naargelang de prijsfluctuaties op de elektriciteitsmarkt, zullen ook gezinnen hun stroomverbruik op een kostenefficiënte manier kunnen afstemmen.

Virtuele energiecentrales digitaliseren de energiesector

De toekomst is digitaal en ook de energiesector volgt deze tendens. Evenals in alle andere sectoren van de samenleving worden er ook in de stroomvoorziening wereldwijd structurele veranderingen doorgevoerd: van grote, fossiele energiecentrales naar kleine, gedecentraliseerde entiteiten die samen een netwerk vormen dankzij de toenemende mogelijkheden van de digitalisering.

Net als hotelplatforms die niet over eigen hotels beschikken en autodeelplatforms die niet langer een eigen wagenpark bezitten, zorgen virtuele energiecentrales voor een democratisering van de energievoorziening, waarbij de verantwoordelijkheid opnieuw de samenleving toekomt. De beheerder van de virtuele energiecentrale beschikt immers niet langer over eigen centrales, maar optimaliseert enkel 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 in termen van geïnstalleerd vermogen en produceren via hun netwerk klimaatneutrale stroom die de komende uitdagingen op de elektriciteitsmarkt het hoofd zal bieden.

Zowel de elektrificatie van het verkeer als het sterk toenemende aantal netwerkknooppunten en datacenters als gevolg van de digitalisering, vereisen grote hoeveelheden stroom – en die kan in het licht van 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 aanpak hebben virtuele energiecentrales dan ook alles in huis voor de energiewereld van de toekomst.