Wat zijn de voordelen van biomassagasificatie voor elektriciteitsproductie in landelijke gebieden in India?

In landelijke gebieden van India staat de toegenomen vraag naar elektriciteit voor een enorme uitdaging. Het verkennen van geschikte, efficiënte, milieuvriendelijke en economische energieoplossingen is daarom essentieel. Gedecentraliseerde elektriciteitsproductie met behulp van hernieuwbare energiebronnen wordt steeds gebruikelijker, als alternatief voor netstroom en traditionele brandstoffen. De geïnstalleerde capaciteit van off-grid gedistribueerde generatie is wereldwijd in 2020 met 365 MW gestegen, en bereikte een totaal van 10,6 GW. Kleinschalige opwekking, vooral die gebaseerd op hernieuwbare energiebronnen, kan een cruciale rol spelen bij het snel vergroten van de toegang tot elektriciteit in gebieden die momenteel niet goed verlicht zijn, terwijl het ook bijdraagt aan de decarbonisatie van de energievoorziening.

India beschikt over talrijke natuurlijke hulpbronnen, maar deze worden vaak niet optimaal benut. Van alle hernieuwbare energiebronnen blijkt biomassa de meest veelbelovende, omdat het enkele duidelijke voordelen heeft ten opzichte van andere bronnen zoals wind- en zonne-energie. In tegenstelling tot zonne- en windenergie, die afhankelijk zijn van de weersomstandigheden, kan biomassa gedurende 24 uur per dag energie leveren. Bovendien draagt biomassa niet bij aan de netto-uitstoot van kooldioxide (CO2) in de atmosfeer, aangezien de hoeveelheid koolstof die vrijkomt tijdens de verbranding gelijk is aan de hoeveelheid die de plant heeft opgenomen tijdens zijn groei. Daarnaast is de uitstoot van zwaveldioxide (SO2) laag, omdat biomassa een zeer geringe hoeveelheid zwavel bevat.

Biomassa heeft aanzienlijke aandacht gekregen als een hernieuwbare energiebron in India, in lijn met de doelstellingen van het nationale energiebeleid. De interesse in biomassa is toegenomen door de volgende factoren: de ontwikkeling van efficiënte conversietechnologieën, de toegenomen productie van biomassa, de voordelen van biomassa ten opzichte van fossiele brandstoffen, zorgen over energiezekerheid en de diversiteit van de energievoorziening, evenals de voordelen voor plattelandsontwikkeling en werkgelegenheid. In India is het geschatte aandeel van biomassa in de totale primaire energievoorziening ongeveer 32%. Veel mensen in landelijke gebieden van India zijn nog steeds afhankelijk van biomassa voor hun primaire energiebehoeften.

Wereldwijd is het verbruik van biomassa van 5,4 Gtoe in 1990 gestegen naar 6,7–7,5 Gtoe in 2022. In agrarisch georiënteerde landen zoals India is biomassa ruim beschikbaar. Het wordt geschat dat er jaarlijks zo’n 750 miljoen metrische ton biomassa beschikbaar is, waarvan ongeveer 230 miljoen metrische ton als surplus kan worden benut, goed voor een energieproductie van ongeveer 28 GW. Suikerrietbagasse, dat beschikbaar is bij zo'n 550 suikerfabrieken, kan ongeveer 5000 MW aan elektriciteit produceren.

Biomassa in India kan worden gecategoriseerd in verschillende types: hout uit de bosbouw of van houtafval, energiegewassen zoals Silvergrass, Switchgrass, en Jatropha, landbouwresiduen zoals rijstafval, suikerrietbagasse, maïskolven, kokosnootschillen, en afval zoals voedselresten en industrieel biomassawaste.

Een veelgebruikte techniek voor de benutting van biomassa is thermochemische conversie, waarvan biomassagasificatie een veelbelovende technologie is voor elektriciteitsproductie. Biomassagasificatie zet organisch materiaal zoals landbouwresiduen, bosbouwafval en energiegewassen om in synthesegas (syngas), een brandbaar gas. De voordelen van biomassagasificatie liggen in het gebruik van hernieuwbare en koolstofneutrale grondstoffen, die bijdragen aan de vermindering van broeikasgasemissies in vergelijking met conventionele op fossiele brandstoffen gebaseerde elektriciteitsproductiesystemen. Het economische aspect van energieopwekking is een belangrijke factor voor plattelandsgebieden in India. De kosten voor installatie, werking en onderhoud hebben een aanzienlijke invloed op de keuze voor een bepaald energiesysteem.

In de literatuur wordt aanbevolen dat kleinschalige biomassagasifiers, variërend van 10 tot 200 kW, geschikt zijn voor het effectief benutten van lokale biomassa. Er zijn veel studies die de prestaties van gasifiers testen met verschillende biomassa-materialen. Bijvoorbeeld, de gasificatie van meubels, hout en houtafval in een kleine gasifier heeft aangetoond dat een equivalentie-ratio van 0,38 de beste prestaties oplevert. Gasificatie van hout in een down-draft gasifier met een vochtigheidspercentage van minder dan 10% resulteert in syngas van hogere kwaliteit met lagere teerinhoud. De temperatuur in de gasifier speelt een cruciale rol bij de conversie van niet-brandbare componenten in brandbare componenten, wat de calorische waarde van het geproduceerde gas verhoogt.

Biomassagasificatie is dus niet alleen technisch haalbaar, maar biedt ook een belangrijke economische en ecologische oplossing voor elektriciteitsproductie op het platteland van India. Naast de voordelen van schone energie en lagere kosten, draagt het ook bij aan de werkgelegenheid en de ontwikkeling van het platteland. Het gebruik van biomassa voor energieproductie ondersteunt een duurzame en veilige energievoorziening, met positieve gevolgen voor het milieu en de lokale gemeenschappen.

Het is belangrijk te begrijpen dat biomassagasificatie een diepgaande impact kan hebben op de energievoorziening, maar ook uitdagingen met zich meebrengt, zoals de variabiliteit in de kwaliteit van de biomassa, de complexiteit van de gasificatieprocessen en de noodzaak voor technologieën die de efficiëntie verhogen. Het blijven ontwikkelen en optimaliseren van gasificatiesystemen is van cruciaal belang om de potentie van biomassa als hernieuwbare energiebron volledig te benutten.

Wat zijn de uitdagingen bij de integratie van hernieuwbare energiebronnen in het elektriciteitsnet?

De integratie van hernieuwbare energiebronnen (RES) zoals zonne-energie en windenergie in het elektriciteitsnet brengt aanzienlijke uitdagingen met zich mee. Een van de belangrijkste problemen is de onvoorspelbaarheid en abrupte variaties in de beschikbaarheid van deze energiebronnen. Wind- en zonne-energie zijn sterk afhankelijk van de weersomstandigheden, waardoor ze moeilijk te voorspellen zijn. Deze fluctuaties kunnen leiden tot een aanzienlijke impact op de stabiliteit van de frequentie binnen het netwerk, vooral door het beperkte traagheidsvermogen van de vermogenselektronische converters die worden gebruikt om RES aan het net te koppelen.

De lage traagheid van het systeem, veroorzaakt door de penetratie van wind- en zonne-energie, kan resulteren in grotere frequentieafwijkingen. Dit effect is duidelijk zichtbaar in de grafiek van de systeemfrequentie als reactie op een plotselinge storing (zie figuur 3.13). Het is evident dat de integratie van RES de frequentiestabiliteit beïnvloedt, tenzij er snel reagerende regelmechanismen worden ingezet. In het geval van een plotselinge storing kan een lage traagheid een frequentiedaling veroorzaken die de kritieke drempel van 49,5 Hz overschrijdt, wat ernstige gevolgen heeft voor de betrouwbaarheid van het netwerk.

Naast frequentieproblemen kan de integratie van RES ook invloed hebben op de netkwaliteit. Hernieuwbare energiebronnen kunnen zowel positieve als negatieve effecten hebben op de kwaliteit van de geleverde stroom. Bij onvoldoende controle kunnen variaties in de energieproductie resulteren in spanningsdips, spanningspieken, harmonischen, spanningsonbalans en flikkering. Dit komt vaak voor wanneer de opwekking van hernieuwbare energie plotseling verandert of wanneer er een mismatch is tussen de opwekking en het verbruik. Het gebruik van vermogenselektronische converters kan leiden tot de introductie van harmonischen in het systeem, die de stroomkwaliteit aantasten. Het probleem van flikkering is een ander veelvoorkomend kwaliteitsprobleem dat vaak optreedt in systemen zonder sterke regelmechanismen.

De integratie van gedistribueerde generatie (DG) brengt ook complexiteit met zich mee voor de ontwerp en werking van het beschermingssysteem van het elektriciteitsnet. Het mogelijk maken van tweerichtingsstroom in het netwerk maakt het coördineren van de bescherming ingewikkelder. De locatie, grootte en het type van de gedistribueerde generatie beïnvloeden de mate waarin de coördinatie van de beschermingsapparatuur wordt verstoord. Een voorbeeld hiervan is de zogenaamde "blindheid voor bescherming", die optreedt wanneer een fout in een stroomkring wordt veroorzaakt door zowel het elektriciteitsnet als de RES-eenheid, waarbij de bijdrage van de RES-eenheid aan de foutstroom mogelijk de bescherming van de stroomkring in gevaar brengt (zie figuur 3.16a). Hierdoor kan het beschermingsapparaat niet reageren, ondanks dat er een grote foutstroom aanwezig is. In sommige gevallen kan dit leiden tot onterecht uitschakelen van andere delen van het netwerk (sympathieke uitschakeling) wanneer de RES-eenheid een te grote bijdrage levert aan de foutstroom (zie figuur 3.16b).

Naast de problemen met frequentie en netkwaliteit is de stabiliteit van het systeem ook van groot belang. Traditioneel werd de stabiliteit van distributienetwerken als een secundaire zorg beschouwd, aangezien deze vaak als passief werden gezien. Met de toename van de penetratie van RES kan de bijdrage van deze bronnen aan de systeemstabiliteit echter niet langer genegeerd worden. De onvoorspelbaarheid van de productie van DG's heeft een impact op de dynamische stabiliteit van het netwerk. Het is belangrijk om zowel de kortetermijn- als langetermijnstabiliteit te waarborgen, evenals de bescherming tegen spanningsinstortingen en oscillaties.

Een ander belangrijk aspect is de bescherming van de gedistribueerde generatoren tegen interne storingen en de vraag hoe de foutstroom van de DG in het distributienetwerk wordt beheerd. De bescherming van DG's tegen "verlies van net" of anti-islanding is van cruciaal belang, aangezien het onverwacht loskoppelen van de DG een gevaar voor het netwerk en de veiligheid van de werknemers kan opleveren. Dit kan leiden tot ernstige problemen, zoals verlies van fase, verlies van spanningsynchronisatie en de risico’s van onbedoelde eilandwerking. In dit geval is het van groot belang dat er snelle detectiesystemen zijn die onbedoelde eilandwerking binnen een paar seconden kunnen vaststellen, zoals aanbevolen door de IEEE-standaarden 1547-2003 en 929-1988.

Wat betreft de power conditioning van de RES-systemen, moeten de omvormers die tussen de generatoren en het net worden geplaatst, goed worden ontworpen om harmonischen te minimaliseren en een soepele synchronisatie met het net te waarborgen. Dit is essentieel voor het behouden van een hoge stroomkwaliteit en het voorkomen van storingen die door de RES kunnen worden veroorzaakt. Het gebruik van filters bij omvormers kan de stroomkwaliteit aanzienlijk verbeteren, zoals weergegeven in figuur 3.18, waar het verschil in de outputspanning van een zonne-PV omvormer zonder en met filters duidelijk wordt geïllustreerd.

Daarnaast kan de locatie van de DG's in het netwerk een aanzienlijke invloed hebben op de betrouwbaarheid en de verliezen in het systeem. Wanneer de DG dicht bij de belasting wordt geplaatst, kunnen de verliezen in de lijnen worden verminderd, wat de algehele efficiëntie van het netwerk verbetert. Aan de andere kant kunnen als de DG's zich verder van de belasting bevinden of wanneer de capaciteit van de DG te groot is, de verliezen toenemen, wat leidt tot hogere kosten voor de consument.

Een ander probleem is het onbedoeld eilandwerking van DG's. Dit kan gebeuren door een lokaal defect of een grote mismatch tussen productie en verbruik, wat leidt tot het uitschakelen van de beschermingssystemen. Dit soort eilandwerking kan de veiligheid van de medewerkers in gevaar brengen en leiden tot spannings- en frequentie-instabiliteit.