Hoe krijgen we de energieprijzen opnieuw onder controle? De ruimtevaart schiet ons te hulp en toont aan dat hernieuwbare energie de basis vormt voor stabiliteit.
Een lenteavond in 2020 — de zon verdwijnt achter de horizon en de lucht kleurt langzaam oranje en roze. Een zachte wind waait door de bomen en af en toe kwaken kikkers aan de oever van het meer. Op deze fluisterstille plek, op drie kilometer van de Belgische grens, ligt de grootste gascentrale van Nederland al zes jaar stil.
De hypermoderne installatie sloot slechts twee jaar na opstart haar deuren door een onverwachte overvloed aan goedkope elektriciteit op de markt. Net als vele huishoudens en bedrijven tijdens de recente energiecrisis werd deze peperdure energievoorziening — met een kostenplaatje van maar liefst een miljard euro — slachtoffer van een rollercoaster van energieprijzen.
Zo’n evolutie van de energiemarkt hadden de ontwerpers van de gascentrale niet zien aankomen. De elektriciteit uit de centrale werd te duur en de hele installatie overbodig.
Ontwerpen zonder kristallen bol
Om dit soort tragedies te vermijden, weten ontwerpers van toekomstige energievoorzieningen best wat er de komende dertig jaar allemaal staat te gebeuren.
Neem nu de installatie van zonnepanelen op je dak. Om te weten hoeveel panelen je het best plaatst, moet je inschatten wanneer de zon de komende jaren zal schijnen, hoeveel geld je zal verdienen door de overtollige stroom opnieuw te injecteren en wat het zal kosten om elektriciteit van het net af te nemen. Enig idee?
Of jij het nu bent, je buurman of het Internationaal Energieagentschap, niemand heeft een kristallen bol. Hoe hard de wind zal waaien, hoezeer de gasprijs zal schommelen en hoe jouw energiefactuur er morgen zal uitzien is dus voor iedereen — en dan bedoel ik ook écht iedereen — een raadsel.
Hoe hard de wind zal waaien, hoezeer de gasprijs zal schommelen en hoe jouw energiefactuur er morgen zal uitzien is voor iedereen een raadsel
Gelukkig hoeven we de toekomst niet te voorspellen om onze energieprijzen van die rollercoaster af te helpen. We moeten gewoon robuuste energievoorzieningen ontwerpen die het minst gevoelig zijn aan de onzekere toekomst. Bij de onderzoeksgroepen TFL (UCLouvain) en FLOW (VUB) wapenen we de energie van de toekomst tegen miljoenen mogelijke verschuivingen op technisch, economisch en politiek vlak.
Daarbij hebben we ons laten inspireren door een sector waar zelfs de kleinste foutieve voorspelling al desastreuze gevolgen heeft: de ruimtevaart.
Robuuste raketten
De landing van een raket op vaste grond is haast niet in te schatten: weersomstandigheden, onvoorziene obstakels en de toestand van de apparatuur spelen allemaal een rol. Toch landen raketten sinds kort niet enkel op zee, maar komen ze steeds vaker op hun pootjes terecht.
De landing van twee side boosters van de Falcon Heavy raket van SpaceX in 2018 (bron: Giphy).
Om een zachte landing aan de astronauten te garanderen, moeten de raketten tegen alle scenario’s bestand zijn. Jammer genoeg zijn de computermodellen die dit berekenen zo ingewikkeld dat ze soms meer tijd nodig hebben om de oplossing te simuleren dan de daadwerkelijke reis naar Mars zelf. Die duurt zeven maanden. It’s definitely rocket science.
Gelukkig hebben de knappe koppen in de ruimtevaart daar iets op gevonden.
Met “Polynomial Chaos Expansion” kunnen ze ingewikkelde modellen drastisch vereenvoudigen. Deze methode maakt gebruik van wiskundige functies (polynomen) om alleen de belangrijkste eigenschappen van het model te kopiëren. De kopie — het surrogaatmodel — heeft een minieme fout ten opzichte van het oorspronkelijke model. Maar met zo’n surrogaatmodel heeft een gewone laptop maar enkele milliseconden nodig om het effect van een scenario op het landingsproces te berekenen. Zie het als de perfecte samenvatting van een dik boek op één A4’tje: Je leest het meteen door en kent het hele verhaal!
Dankzij het surrogaatmodel weten de raketgeleerden vrijwel direct waar en wanneer hun ontwerp niet zal slagen. Dan passen ze de raket aan totdat alle scenario’s amper nog invloed hebben op het landingsproces. Een robuuste ontwerpmethode!
Stop de rollercoaster
Dankzij surrogaatmodellen berekenen we in enkele seconden de invloed van miljoenen scenario’s op een energievoorziening. De laatste jaren ontwierpen we talloze robuuste energiesystemen met die surrogaatmodellen. Onze resultaten waren duidelijk: de sleutel tot een stabiele energieprijs is lokale, hernieuwbare energie!
Dankzij surrogaatmodellen berekenen we in enkele seconden de invloed van miljoenen scenario’s op een energievoorziening
We beginnen bij een gezinswoning. Voor een doorsnee huishouden bestaat het robuuste ontwerp uit vijftien zonnepanelen en een gemiddelde thuisbatterij. Deze energievoorziening heeft maar liefst 50% minder onzekerheid op de elektriciteitsprijs dan netstroom. Omdat zonnepanelen en batterijen ook onzekerheden met zich meebrengen, is het ontwerp niet volledig onafhankelijk van het net.
Kijken we naar verwarming, dan vermindert een warmtepomp en buffervat de onzekerheid op de energieprijs met 46% in vergelijking met een klassieke gasboiler. In het openbaar vervoer verkleint een gedeeltelijke overstap naar waterstofbussen de onzekerheid op de gebruikskosten dan weer met 36% in vergelijking met dieselbussen.
Voorspelbaarheid heeft helaas ook een prijskaartje. Soms zijn de investeringskosten te hoog ten opzichte van de afname van de onzekerheid. Daarom maken we met de robuuste ontwerpmethode steeds een afweging tussen stabiliteit en investering voor elk afzonderlijk geval.
De mogelijkheden zijn eindeloos
Het gebruik van surrogaatmodellen in de robuuste ontwerpmethode bleek een absolute gamechanger voor talloze toepassingen! We ontwikkelden een gratis software en werkten de laatste jaren samen met onderzoeksgroepen in de VUB, ULB, UCLouvain, UMONS en Stanford. We pasten bestaande gasturbines aan, verbeterden de productie van hernieuwbare waterstof en haalden CO2 uit de lucht.
Ligt de rollercoaster van energieprijzen binnenkort dan definitief stil? Sorry, nog niet helemaal, maar we staan al flink op de rem. We werken voort aan methoden om alle scenario’s nog beter in kaart te brengen.
We komen er wel. Het is tenslotte geen “rocket science” — of toch niet helemaal.
Diederik Coppitters dingt mee naar de Vlaamse PhD Cup 2023. Ontdek meer over dit onderzoek op www.phdcup.be.
