De integratie van hernieuwbare energiebronnen in het bestaande elektriciteitsnet is van cruciaal belang voor het verminderen van onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen en het verlagen van de uitstoot van broeikasgassen. Een van de sleutelelementen in dit proces is de integratie van Zelfgeëxiteerde Inductiegeneratoren (SEIG), die een belangrijke rol spelen in gedecentraliseerde energieproductie en back-up stroomvoorziening. De studie van de integratie van een 2,2 kW SEIG met het elektriciteitsnet biedt waardevolle inzichten in de noodzaak van geavanceerde besturingstechnieken, gedetailleerde modellering en real-time simulaties om een soepele overgang naar een duurzamer energiesysteem te waarborgen.

Het succes van de SEIG-integratie hangt af van de toepassing van twee geavanceerde besturingsstrategieën: de synchroon referentiekaderbenadering en de feed-forward ontkoppelingsstrategie. De synchroon referentiekaderbenadering is een techniek die gebruikmaakt van een wiskundige transformatie om de controle van wisselstroommachines te vereenvoudigen. Hierdoor kunnen spanning, stroom en frequentie nauwkeurig gereguleerd worden, wat bijdraagt aan de algehele systeemstabiliteit. De feed-forward ontkoppelingsstrategie, die de interacties tussen verschillende regelsystemen minimaliseert, verbetert de stabiliteit van het systeem door de invloed van onregelmatigheden te beperken. Deze combinatie van technieken zorgt ervoor dat de SEIG op een efficiënte en gecontroleerde manier energie kan leveren aan het net.

Een ander belangrijk aspect van de integratie is het maken van een nauwkeurig model van de SEIG. Om de SEIG goed te kunnen modelleren, moeten de equivalenten van de circuits van de generator nauwkeurig worden bepaald. Dit gebeurt door middel van machine-experimenten, die de benodigde parameters vaststellen om de generator effectief te kunnen besturen onder verschillende belasting- en netcondities. Dit model is essentieel voor het ontwikkelen van controle-algoritmen die de SEIG kunnen aanpassen aan veranderingen in de belasting en de netvereisten. Het simuleren van deze modellen in real-time omgevingen, zoals het OPEL RT-platform, is van onschatbare waarde. Dit platform simuleert de werkelijke bedrijfsomstandigheden en biedt een gecontroleerde ruimte voor het testen van het gedrag van de generator in verschillende scenario’s. Hierdoor kunnen onderzoekers de effectiviteit van controle-algoritmen testen en verfijnen voordat ze in de praktijk worden toegepast.

De SEIG-integratie vereist ook een goed begrip van de rol van converters aan zowel de machine- als de netzijde. De converters aan de machinezijde zorgen ervoor dat de stroomoutput van de SEIG in overeenstemming is met de eisen van het elektriciteitsnet. De netzijde-converters zorgen voor de injectie van de stroom in het net, terwijl ze tegelijkertijd zorgen voor de stabiliteit van de spanning en frequentie. Een stabiele werking van het systeem is van het grootste belang, aangezien het elektriciteitsnet zeer strikte eisen stelt aan zowel de spanning als de frequentie. Het bereiken van een perfecte synchronisatie tussen de SEIG en het net is essentieel voor een betrouwbare en veilige werking van het net.

De SEIG kan slechts effectief bijdragen aan het net als deze correct is gesynchroniseerd met het elektriciteitsnet. Dit betekent dat de machinezijde-converters verantwoordelijk zijn voor het regelen van de uitvoer van de SEIG, zodat de stroom die wordt gegenereerd voldoet aan de strikte vereisten van het net. Dit is essentieel om de betrouwbaarheid en veiligheid van het net te waarborgen, omdat elke afwijking in de spanning of frequentie kan leiden tot storingen of inefficiënties in het hele systeem.

Het gebruik van de synchroon referentiekaderbenadering (SRF) is van bijzonder belang. Het biedt een krachtig hulpmiddel voor het regelen van de drie-fasenstroom die in het systeem circuleren. De SRF maakt het mogelijk om de complexiteit van het beheer van meerdere fasen te verminderen door gebruik te maken van een gemeenschappelijk referentiekader voor alle drie de fasen. Dit vereenvoudigt het ontwerp van het regelsysteem aanzienlijk, aangezien het de behoefte aan afzonderlijke controllers voor elke fase elimineert. De theorie achter de SRF benadering houdt in dat het referentiekader draait met de snelheid van het systeem, wat resulteert in een DC-hoeveelheid die gemakkelijker te controleren is en geen steady-state fouten veroorzaakt. Deze aanpak zorgt ervoor dat de SEIG met een hoge mate van precisie kan worden gecontroleerd, wat de algehele systeemstabiliteit verbetert.

Naast de technische aspecten is het belangrijk om te begrijpen hoe deze integratie kan bijdragen aan de bredere verschuiving naar hernieuwbare en gedistribueerde energiebronnen. Het gebruik van SEIG's binnen het huidige elektriciteitsnet is niet alleen een manier om de betrouwbaarheid van back-up systemen te verhogen, maar ook een stap in de richting van een duurzamer energiebeleid. Doordat SEIG's elektriciteit kunnen genereren op locaties dichter bij de vraag, wordt de behoefte aan langeafstandstransport van energie verminderd, wat de algehele efficiëntie van het systeem verhoogt.

Om de overstap naar een duurzamer en robuuster energiesysteem te realiseren, is voortdurende investering in geavanceerde controletechnieken en nauwkeurige modellering van groot belang. Dit zorgt ervoor dat SEIG's in staat zijn om soepel en betrouwbaar energie te leveren aan het net, zonder de stabiliteit van het netwerk in gevaar te brengen. Het ontwikkelen van meer robuuste modellen en controlemechanismen zal de effectiviteit van hernieuwbare energiebronnen verder verbeteren, waardoor de overgang naar een koolstofarme toekomst versneld kan worden.

Hoe torrefactie, carbonisatie en pyrolyse de conversie van biomassa beïnvloeden

Torrefactie wordt beschouwd als een moderne technologie die is ontwikkeld om biomassa om te zetten in een schoon en energie-dicht vast brandstofmateriaal. Dit proces is een langzame thermochemische behandeling die plaatsvindt bij temperaturen tussen de 200 en 300 °C in een zuurstofarme omgeving, gedurende een geschikte verblijftijd. Door deze behandeling verandert de chemische structuur van diverse lignocelluloseachtige biomassa, wat leidt tot een verhoging van het koolstofgehalte en een afname van het waterstof- en zuurstofgehalte. Torrefactie kan verder worden onderverdeeld in droge en natte torrefactie. Bij droge torrefactie wordt gebruik gemaakt van een heet inert gas of een indirecte verhittingsmethode. Bij natte torrefactie wordt biomassa met een hoog vochtgehalte verhit in de aanwezigheid van subkritisch of gecomprimeerd water.

Bij droge torrefactie breken de hemicellulosemoleculen af, waarbij de structurele zuurstof zich dissocieert bij temperaturen tussen de 190 en 270 °C. Cellulose ondergaat een lichte afbraak bij temperaturen onder de 270 °C, terwijl lignine nauwelijks dissocieert bij deze lage temperaturen. Naarmate de temperatuur boven de 270 °C stijgt, vindt de afbraak van cellulose en lignine plaats, wat verder leidt tot een afname van de massaopbrengst. Het gevolg is een toename van de reactiviteit van de cellulosemoleculen, doordat waterstofbruggen worden gebroken. Bovendien maakt de vorming van niet-polaire, onverzadigde structuren de torrefacte biomassa tot op zekere hoogte hydrofoob. Dit proces produceert een sterk reactief grondstof voor thermochemische conversie met behoud van 60-90% van de energie in de oorspronkelijke biomassa. Het calorische rendement van de torrefacte biomassa kan oplopen tot 20-30 MJ/kg, afhankelijk van het soort biomassa en de torrefactieomstandigheden.

Natte torrefactie is een belangrijke technologie voor de conversie van biomassa met een hoog vochtgehalte of afvalstromen naar waardevolle vaste brandstoffen. In dit proces wordt de biomassa aan heet gecomprimeerd of subkritisch water toegevoegd, meestal bij temperaturen tussen de 180 en 265 °C en een druk van 2-10 MPa, gedurende een kortere verblijftijd in een inert milieu. De bijbehorende chemische processen omvatten hydrolyse, polymerisatie, decarboxylatie en dehydratie, waarbij vooral hemicellulose wordt afgebroken vanwege zijn verhoogde reactiviteit bij deze temperaturen. Het voordeel van natte torrefactie is dat er geen energie hoeft te worden besteed aan het drogen van de biomassa, aangezien het proces zich in een natte omgeving afspeelt. Het eindproduct bestaat uit torrefacte biomassa, vluchtige zuren, water en gassen.

Bij beide vormen van torrefactie speelt de temperatuur en de verblijftijd een cruciale rol in de mate van torrefactie. Naarmate de temperatuur en verblijftijd toenemen, neemt de massa- en energieopbrengst af, maar verbeteren de brandstofeigenschappen van het eindproduct. Torrefactie kan bijvoorbeeld de verbrandingskenmerken van biomassa verbeteren, waarbij minder rook vrijkomt dan bij het gebruik van de oorspronkelijke biomassa. Ook wordt de hydrofobiciteit, de calorische waarde, de energiedichtheid en de vermalenheid van het biomassa-materiaal verbeterd naarmate het proces zwaarder is.

Carbonisatie, in tegenstelling tot torrefactie, is een thermochemisch proces dat voornamelijk wordt uitgevoerd om vaste, koolstofrijke producten (zoals houtskool) te produceren. Dit proces wordt uitgevoerd bij temperaturen tussen de 300 en 500 °C in een inert milieu, waarbij de verblijftijd kan variëren van enkele uren tot meerdere dagen. De processen die plaatsvinden in de carbonisatie zijn drogen (20-200 °C), torrefactie (200-300 °C), en laag- en hoogtemperatuurcarbonisatie (300-400 °C en 400-500 °C, respectievelijk). Het product van carbonisatie, biochar, vertoont veel overeenkomsten met de eigenschappen van steenkool en wordt gebruikt in thermische energiecentrales.

Pyrolyse is een endothermisch proces waarbij biomassa wordt omgezet in waardevolle producten zoals biochar, bio-olie en niet-condenseerbare gassen, in afwezigheid van of met beperkte zuurstoftoevoer bij temperaturen boven de 400 °C. De producten van pyrolyse, met name biochar, zijn koolstofrijke materialen die kunnen worden gebruikt als bodemverbeterende middelen, terwijl de bio-olie, een donkerbruine, organische vloeistof, kan worden gepurificeerd en gebruikt voor energieopwekking in dieselmotoren of boilers. De gasvormige producten, waaronder CO2, CO, waterstof, methaan en andere organische gassen, worden vaak gebruikt voor elektriciteits- en warmteproductie in gecombineerde warmte- en krachtinstallaties (CHP).

De reactieparameters die de pyrolyse beïnvloeden, zijn onder andere het type grondstof, de temperatuur, de opwarmingssnelheid, de verblijftijd en de gasstroom. Het meest gebruikte materiaal voor pyrolyse is lignocelluloseachtige biomassa, zoals hout, bos- en landbouwafval, en vast afval. Deze biomassa bestaat voornamelijk uit cellulose (38-50 wt%), hemicellulose (23-32 wt%) en lignine (10-25 wt%).

Naast de genoemde processen is het belangrijk te begrijpen dat de chemische en fysische eigenschappen van de biomassa zelf bepalend zijn voor de efficiëntie van deze thermochemische conversies. Het vochtgehalte, de structuur van de vezels, en de verhouding tussen de drie hoofdcomponenten (cellulose, hemicellulose, en lignine) spelen een cruciale rol in hoe goed de biomassa reageert op torrefactie, carbonisatie of pyrolyse. Verder kunnen de integratie van deze processen met andere technologieën, zoals vergassing en co-firing, de economische haalbaarheid en de algehele efficiëntie van biomassaconversie verbeteren.

Hoe energie-opslagtechnologieën helpen bij het overwinnen van intermittentie in hernieuwbare energiebronnen

Het verminderen van operationele kosten en de minimalisering van emissies zijn cruciale doelstellingen in de ontwikkeling van duurzame energie. Panda et al. [8] hebben aangetoond dat een combinatie van vier energiebronnen – thermisch, zonne-energie, wind en waterkracht – doorgaans de beste oplossing biedt in vergelijking met de combinatie van drie van deze bronnen. Het is echter belangrijk om het concept van “hernieuwbare energie droogte” te bespreken [9]. De onvoorspelbaarheid van de natuur kan vaak leiden tot een drastische afname of zelfs totale onderbreking van de energieproductie uit waterkracht, wind of zonne-energie. Het komt niet zelden voor dat er dagen zijn zonder enige energieproductie van wind- of zonnestroomsystemen. Langdurige droogte of geopolitieke verstoringen kunnen de watervoorziening voor waterkrachtcentrales beïnvloeden. Verschillende factoren, zoals de baan van de aarde rond de zon, de hoek van de zonnestraling ten opzichte van het aardoppervlak, meteorologische verschijnselen zoals bewolking en stofstormen, evenals variaties in windsnelheid en -richting door atmosferische omstandigheden, beïnvloeden gezamenlijk de variabiliteit van zonne- en windenergie [10].

De impact van droogtes op verschillende energiebronnen is duidelijk geïllustreerd in Tabel 10.1. Thermische krachtcentrales, bijvoorbeeld, kunnen door hoge temperaturen van het koelwater minder efficiënt werken, wat leidt tot een lagere energieopbrengst. Waterkrachtcentrales ondervinden problemen door watertekorten, en de opbrengst daalt als gevolg van verhoogde verdamping bij hogere temperaturen. Biomassa kan ook lijden door een afname van de netto primaire productie van grondstoffen, wat leidt tot hogere kosten en een groter areaal dat nodig is voor de teelt van brandstof. Windenergie kan worden beïnvloed door veranderende windpatronen of lagere windsnelheden door droogte, waardoor de energieopbrengst daalt en onderhoudskosten stijgen. Ten slotte veroorzaakt droogte een toename van stofdeeltjes in de lucht, wat de efficiëntie van zonnepanelen verlaagt door de ophoping van stof op de panelen.

Om deze variabiliteit van hernieuwbare energiebronnen aan te pakken en een soepele werking van het energiesysteem te waarborgen, is een energieopslagsysteem (EOS) essentieel. Dit systeem maakt het mogelijk om overtollige energie op te slaan en later, wanneer de vraag het vereist, weer in te zetten [12]. Energieopslagtechnologieën (EST) zullen bepalend zijn voor de vraag of hernieuwbare energie als basislast in het energiesysteem kan worden geïntegreerd [13]. Deze systemen kunnen worden ingedeeld op basis van hun werkingsprincipe in mechanische, elektrochemische, chemische en thermische opslagsystemen [14–16]. Figuur 10.6 geeft een overzicht van de verschillende opslagsystemen op basis van hun energiemethoden.

Onder de diverse EST’s blijkt mechanische energieopslag (MES) bijzonder effectief in het snel omzetten en vrijgeven van opgeslagen mechanische energie in elektrische stroom. Elektrische energie wordt opgeslagen als potentiële of kinetische energie tijdens perioden van lage vraag, en tijdens piekuren wordt deze omgezet in elektrische energie [17, 18]. MES-systemen omvatten drie verschillende categorieën: pomp-accumulatie-energieopslag (PHS), gecomprimeerde lucht-energieopslag (CAES) en vliegwiel-energieopslag (FES). Voor grootschalige energieopslag boven de 100 MW zijn de twee belangrijkste opties pomp-accumulatie-energieopslag (PHS) en gecomprimeerde lucht-energieopslag (CAES). Wereldwijd zijn er honderden PHS-installaties met een totale capaciteit van ongeveer 130 GW, terwijl er volgens Javed et al. [13] slechts twee grote CAES-installaties zijn in Duitsland en de VS, met respectievelijk 100 en 290 MW capaciteit. De positie van PHS ten opzichte van andere opslagsystemen wordt duidelijk als we kijken naar Figuur 10.7.

PHS heeft verschillende voordelen. De kapitaal- en operationele kosten van batterijopslagsystemen zijn 18 keer hoger dan die van PHS, dat grote variaties in vraag kan balanceren. Bovendien is de koolstofvoetafdruk van PHS de helft van die van batterijgebaseerde systemen, die ook de problematiek van het omgaan met toxische materialen met zich meebrengen. Figuur 10.6 toont de verschillende types energieopslagsystemen [19], terwijl Figuur 10.7 de geïnstalleerde capaciteit van populaire opslagsystemen wereldwijd illustreert [13]. De kenmerken van bulkenergieopslagsystemen voor hernieuwbare energiebronnen worden getoond in Tabel 10.2. PHS staat bovenaan met het grootste energiebereik van 100 tot 5000 MW, wat het de voorkeur maakt voor grote energiebehoeften. Het heeft een lange operationele levensduur en biedt grotere efficiëntie in vergelijking met andere EST’s.

PHS heeft al een lange geschiedenis, beginnend in de jaren 1890 in Italië en Zwitserland. De eerste commerciële PHS-installatie, de Pedreira Elevatory Plant in Cubató/SP, Brazilië, begon zijn activiteiten in 1939 [25]. PHS werkt door water van een lager reservoir naar een hoger reservoir te pompen wanneer de vraag laag is en dit water weer naar beneden te laten stromen door turbines om elektriciteit te genereren wanneer de vraag hoog is. Traditioneel produceert PHS stroom overdag en pompt het water 's nachts. PHS-systemen kunnen worden ingedeeld in twee hoofdtypen: gesloten-lus PHS (ook wel pure PHS genoemd) en open-lus of terugpomp-PHS [26]. Bij gesloten-lus PHS wordt het water volledig opgeslagen en gepompt tussen een hoger en lager reservoir, terwijl open-lus systemen ook gebruik maken van natuurlijk stromend water.

De opslagcapaciteit van PHS wordt beïnvloed door verschillende factoren, waaronder het hoogteverschil tussen de twee reservoirs en de hoeveelheid water die kan worden gepompt. Het grote voordeel van PHS is de hoge energiedichtheid, de lage onderhoudskosten en de lange levenscyclus. Regionaal gezien zijn China, Brazilië en India de drie leidende landen in PHS, met respectievelijk 391 GW, 109 GW en 51 GW geïnstalleerde capaciteit in 2021 [1]. PHS domineert de wereldwijde energieopslagcapaciteit, met een indrukwekkende efficiëntie van 70-85% [28].

De toepassing van PHS in systemen voor hernieuwbare energieproductie biedt aanzienlijke voordelen. Wind- en zonne-energie kunnen bijvoorbeeld aan het net worden geleverd wanneer er overschotten zijn, en het overtollige vermogen kan worden gebruikt om water te pompen naar het hogere reservoir, wat zorgt voor een efficiënte opslag en latere afgifte van energie wanneer dat nodig is.

Wat maakt de Langhe en de omgeving van Cuneo zo bijzonder voor fijnproevers en liefhebbers van natuur?
Hoe ontwikkel je een effectieve lusinvariant en een beëindigingsmaatregel in algoritmes?
Wat zijn de gezondheidsvoordelen van bioactieve moleculen in planten en hun invloed op menselijke metabolisme?
Hoe kunnen we de betrouwbaarheid en begrijpelijkheid van AI-systemen waarborgen in kritieke domeinen?
Werkprogramma Chemie voor Leerlingen van de 11e Klas (Municipale Autonome Instelling voor Algemeen Onderwijs "Lyceum Nr. 4", Tsjeboksary, Tsjoevasjische Republiek)
De dood van Jermak: Een epische tragedie aan de oever van de Irtysj
Werktuigprogramma Chemie voor Leerlingen van de 10e Klas (Profielniveau)
Lermontov en de Kozakken: Een Dichter aan het Front van de Kaukasus
Bevel 8 mei 2015 Nr. 247 Over de wijziging van het bevel van 31.01.2015 Nr. 54/g "Organisatie van het examen voor beheersing van de Russische taal, kennis van de Russische geschiedenis en de basisprincipes van de wetgeving van de Russische Federatie"