Wiskundigen ontrafelen stabiliteitsstoringen in hoogspanningsnetten

Onderzoekers van Nederlandse nationaal onderzoeksinstituut Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) in Amsterdam hebben ontdekt hoe schommelingen van wind- en zonne-energie storingen in elektriciteitsnetwerken kunnen veroorzaken. Het wiskundig raamwerk dat ze hierbij ontwikkelden biedt ondersteuning bij het voorspellen van mogelijke stroomstoringen in het hoogspanningsnetwerk.

Tommaso Nesti, Alessandro Zocca en groepsleider Bert Zwart hebben hun bevindingen hierover gepubliceerd in het artikel Emergent Failures and Cascades in Power Grids in het academische tijdschrift Physical Review Letters van 21 juni 2018.

Extreme weersomstandigheden kunnen er toe leiden dat lijnen in energienetwerken overbelast raken en daardoor een storing krijgen. Een storing veroorzaakt een herverdeling van energiestromen, waarmee de druk op de overgebleven lijnen in het netwerk toeneemt. Dit kan meer storingen en zelfs zogenaamde black-outs veroorzaken. Het begrijpen van dit proces is van groot belang, omdat de transformatie naar een duurzame samenleving niet moet leiden tot een achteruitgang van de kwaliteit van het energietransport.

Zwakste schakels aanwijzen

Nesti, Zocca en Zwart hebben onderzocht hoe storingen zich kunnen ontwikkelen onder de invloed van wind- en zonne-energie. Ze gebruikten daarvoor een analogie uit de statistische fysica. Ze interpreteerden een groot energienetwerk met veel input van duurzame energie kunnen als een interactief deeltjessysteem. Hierdoor kunnen de lijnen in het netwerk die het meest kwetsbaar zijn voor schommelingen in weerpatronen geïdentificeerd worden, evenals het meest waarschijnlijke scenario waarop deze storingen zich zullen verspreiden over het netwerk.

Het blijkt dat verstoringen op de elektriciteitslijnen kunnen worden veroorzaakt door een cumulatief effect van kleine fluctuaties die zich voordoen in een groot geografisch gebied. Het aantal opeenvolgende storingen kan veel hoger uitvallen dan in voorspellingen gedaan door simpelere modellen, waarbij geen rekening gehouden werd met weerpatronen.

Zocca is intussen overgestapt naar het prestigieuze Amerikaanse Caltech, waar hij zich als postdoctoraal onderzoeker bezighoudt met verder onderzoek over de wiskundige aspecten van onzekerheden in toekomstige energiesystemen, veroorzaakt door de injectie van energie uit hernieuwbare bronnen.