Holons
lokale flex als oplossing voor netcongestie
Managementsamenvatting
Nederland heeft een probleem. De kosten voor het verzwaren van het elektriciteitsnetwerk dreigen de komende 25 jaar op te lopen tot ruim 300 miljard euro. Dat is 40x de Deltawerken en meer dan 35 duizend euro per huishouden.
Bovendien worden de prognoses voortdurend naar boven bijgesteld: tussen de voorlaatste en laatste schatting (FIEN26) hebben de netbeheerders hun schatting voor de kosten voor net op land t/m 2040 in slechts 15 maanden met maar liefst 42 miljard euro verhoogd.
De urgentie van de situatie wordt nog verhoogd door de wachtrij die is ontstaan, waarvan de maatschappelijke kosten oplopen naar minimaal 5 en misschien wel 40 miljard euro per jaar. Kortom: Nederland zit op slot en de kosten dreigen onbeheersbaar te worden.
Flex slim aansturen is een oplossing voor netcongestie
Dit rapport schetst een onorthodoxe oplossing. Deze is gebaseerd op een diepgaande studie van de wetenschappelijke literatuur, bewijsmateriaal uit vele pilots die de afgelopen decennia zijn gedaan en een simulatiemodel dat speciaal voor dit vraagstuk is ontwikkeld. Op basis daarvan presenteert dit rapport een benadering die de kosten van netverzwaring zou kunnen halveren en de wachtrij snel tot het verleden zou kunnen laten behoren.
Deze benadering maakt optimaal gebruik van de lokale samenwerkingsmogelijkheden en lokale apparaten die flexibel ingezet kunnen worden. Zo worden lokale energiegemeenschappen of bedrijventerreinen partners die de netbeheerder effectief kunnen helpen om netcongestie tegen te gaan. Maar daarvoor is het wel nodig dat er een congestieprikkel komt en dat energiegemeenschappen beter gefaciliteerd worden om zelf lokaal de netcongestie te reduceren.
Vaste tijdsblokken zijn niet effectief
Vaste tijdsblokken worden lang van tevoren vastgesteld op basis van een statistisch gemiddelde per dag. Maar dat gemiddelde is niet het probleem. Het probleem zijn de paar hoogste pieken van het jaar en waar en wanneer die zullen optreden kan niemand een jaar van tevoren voorspellen.
Vaste tijdsblokken zijn hooguit nuttig omdat het consumenten dwingt om van een vast contract af te stappen. Daardoor krijgen ze een prikkel om te investeren in flex en het nemen van een dynamisch contract.
Om een significante verbetering te realiseren zijn tarieven nodig die kort van tevoren aangepast kunnen worden en die niet op alle plekken hetzelfde zijn. Netcongestie lijkt eigenlijk op files. Files treden niet op alle wegen tegelijk op en kunnen niet allemaal een jaar van tevoren precies voorspeld worden: we hebben filemeldingen voor het elektriciteitsnet nodig.
Congestieprikkels naar tijd en plaats zijn wel effectief
Het elektriciteitssysteem wordt nog op dezelfde wijze aangestuurd als honderd jaar geleden. In de tussentijd zijn zon en wind echter zo goedkoop geworden dat ze snel marktaandeel winnen en zij laten zich niet plannen.
Batterijen maken het – anders dan vroeger – mogelijk om elektriciteit op te slaan. Met grid-forming inverters kan elk batterijpakket een kleine netbeheerder worden en computers zorgen ervoor dat we alles nu heel nauwkeurig aan kunnen sturen.
Dit leidt tot het inzicht dat het idee van een koperen plaat losgelaten moet worden: een elektriciteitsnet dat overal en altijd hetzelfde kost strookt niet met de realiteit van netcongestie. De logische oplossing is het invoeren van congestieprikkels naar tijd en plaats.
Zowel de wetenschappelijke literatuur, als decennia aan pilots, als het simulatiemodel uit dit rapport laten de effectiviteit hiervan zien. Hoofdstuk 1 werkt dit verder uit.
In dit rapport gaan we vervolgens rekenen aan flex: de mogelijkheid om te schuiven met de vraag van elektrische auto’s en trucks, warmtepompen, zonnepanelen en batterijen. We gaan die flex een signaal geven dat ervoor zorgt dat ze netcongestie niet verergeren maar juist oplossen. Dit signaal — deze congestieprikkel — geven we alleen op de plekken en momenten waarop netcongestie daadwerkelijk optreedt.
Holons: van een monolithisch naar een genest systeem
Grote monolithische systemen zijn kwetsbaar voor schokken en worden mede daarom sterk overgedimensioneerd. Zo ook een elektriciteitsnet. Bij gebrek aan buffers en lokale sturingsmogelijkheden wordt dit aangestuurd als één groot geheel. Die keuze was een begrijpelijke noodgreep in de tijd van voor zon en wind, batterijen, grid-forming inverters en computers. Het heeft ons meer dan honderd jaar goede diensten bewezen.
Wie zich afvraagt hoe het net in de toekomst het beste kan worden aangestuurd kan bijvoorbeeld kijken naar het internet. Het internet is in veel opzichten een vergelijkbaar netwerk maar dan ontwikkeld in een tijd waarin decentrale opwek, opslag, slimme sturing en computers al realiteit waren. Het internet maakt gebruik van een protocol waar elke router en switch zich aan houdt zonder dat er enige vorm van centrale coördinatie is. Wie door die nieuwe bril kijkt, ziet dat het elektriciteitsnet veel goedkoper én betrouwbaarder kan worden als het meer decentraal wordt opgezet, met kleinere eenheden – wij noemen ze holons – die elk individueel hun gebruik van het net optimaliseren.
Batterijen en grid-forming inverters gaan ervoor zorgen dat in de toekomst nagenoeg elk gebouw zo’n holon wordt, waarvoor het net back-up is in plaats van continue levensvoorwaarde. Als zulke holons (bijvoorbeeld huizen) zich clusteren tot buurten ontstaat een nieuwe holon die nog weerbaarder is. En als die zich clusteren ontstaat weer een grotere holon. Het is dus een gelaagd systeem. De essentie is dat elke holon zoveel mogelijk intern zijn energiestromen beheert en alleen energie uitwisselt met bovenliggende holons voor zover dat nodig is. Op deze manier ontstaat een systeem dat wiskundig vrijwel net zo goed functioneert als een theoretisch systeem waarin de netbeheerder elk stopcontact centraal optimaal aanstuurt. Maar in de praktijk functioneren holons beter omdat ze sneller en dichter bij de gebruiker knopen kunnen doorhakken.
Hoofdstuk 3 behandelt de theorie achter zo’n netwerk van holons. Het laat zien dat deze opzet niet alleen kenmerkend is voor het internet, maar voor het in balans houden van vrijwel ieder complex systeem. Denk aan cellen in organen in mensen in organisaties. Of aan gemeenten in provincies in landen.
Het is zaak dat we het elektriciteitsnet gaan organiseren op de weerbare en efficiënte manier waarop de meeste andere complexe systemen al langer georganiseerd zijn.
Holons: economische en sociale meerwaarde
Holons zijn geen noodoplossing maar juist iets wat de samenleving structureel veel op kan leveren. Dat blijkt uit de literatuur van de sociale wetenschappen:
Holons leiden tot een weerbaar en antifragiel elektriciteitsnet dat schokken beter kan doorstaan. Iets waarvan de waarde in dit politieke tijdsgewricht steeds beter wordt onderkend. Als het grote netwerk uitvalt kunnen de kleinere holons erbinnen doordraaien. Ze raken bij een stroomstoring enig comfort kwijt en energie wordt tijdelijk duurder, maar het systeem stort niet in.
Holons geven eindgebruikers meer autonomie en beslissingsmacht. Uit de psychologie weten we dat mensen daar goed op gedijen.
Holons sluiten aan bij het subsidiariteitsbeginsel in recht en governance, dat voorschrijft dat beslissingen zo lokaal mogelijk moeten worden genomen.
Holons hebben ten slotte positieve implicaties voor zowel democratie als energy justice.
Maatschappelijke schade netcongestie kan halveren
Om de voordelen van holons kwantitatief te onderbouwen heeft Zenmo een simulatie ontwikkeld waarbij Nederland is opgedeeld in zes archetypische gebieden die corresponderen met typische soorten wijken. Binnen die gebieden is de aansturing van lokale flexibiliteit van energiegebruik in detail gemodelleerd. Voor de flexibiliteit zijn elektrische auto’s, warmtepompen, batterijen en zonnepanelen meegenomen: verreweg de grootste en meest flexibele gebruikers en opwekkers. Qua adoptie van deze apparaten is uitgegaan van het scenario Koersvaste Middenweg uit het energietransitiemodel waar de netbeheerder de meeste van zijn prognoses op baseert.
Op basis van deze simulatie schatten wij dat HolonFlex t/m 2050 circa 200 miljard euro maatschappelijke kosten bespaart ten opzichte van MyFlex en circa 800 miljard ten opzichte van NoFlex.
Drie scenario’s zijn doorgerekend:
NoFlex: flexibiliteit bestaat eigenlijk niet. Apparaten die flexibel zouden kunnen zijn – zoals elektrische auto’s – reageren niet op de prijs van het opwekken van energie en niet op de prijs van transport. Batterijen zijn er niet want die hebben zonder flexibiliteit geen nut. De kosten van dit scenario zijn verreweg het hoogst. Het is enerzijds onrealistisch, maar anderzijds is het nog wel waar vaak vanuit wordt gegaan.
MyFlex: flexibiliteit reageert wél op de prijs van het opwekken van energie, maar niet op de prijs van het transporteren van energie. Er wordt bijvoorbeeld wel gekeken naar wanneer wind op de Noordzee voor goedkope stroom zorgt, maar niet naar of dit het netwerk overbelast. Om weer het voorbeeld van elektrische auto’s te nemen: die laden – als hun bezitter dit geen probleem vindt – niet direct op als ze ingeplugd worden maar als de stroom het goedkoopst is. Dit gebeurt geautomatiseerd, bijvoorbeeld op basis van voorkeursinstellingen in een mobiele app met de mogelijkheid incidenteel toch direct te laden. Soortgelijk gedrag implementeerden we voor warmtepompen, batterijen en zonnepanelen. De kosten van zowel opwekking als verzwaring gaan met MyFlex fors omlaag en de angst dat alle flex tegelijk gaat reageren om pieken te veroorzaken blijkt ongegrond omdat dit een inherent zelfdempende markt is. Dit is de koers waar Nederland nu op afstevent.
HolonFlex: flexibiliteit krijgt een prikkel die – met ontzorging voor de gebruiker – gebruik enerzijds stuurt naar de momenten waarop stroom het goedkoopst en duurzaamst is, en tegelijkertijd weg van lokale netcongestie. Deze prikkel kan zowel top-down als bottom-up worden geëffectueerd, maar de bottom-up prikkel biedt voordelen die worden uitgelegd in hoofdstuk 3. HolonFlex bevat dus als enige een gerichte congestieprikkel waarmee energiestromen zoveel mogelijk lokaal worden gehouden en congestieveroorzakende pieken worden voorkomen. De simulatie laat zien dat sturen op netcongestie slechts zelden nodig is maar dat gerichte sturing op een beperkt aantal momenten ervoor kan zorgen dat de behoefte aan netverzwaring met bijna de helft kan worden gereduceerd ten opzichte van het MyFlex-scenario. Bovendien lost dit de wachtrij op.
Aanbevelingen
Verrassend genoeg vereist het invoeren van een dynamisch transporttarief en van holons weinig aanpassingen in wet- en regelgeving. De Europese wetgeving loopt hier namelijk al op vooruit. Nederland hoeft eigenlijk alleen door te voeren wat in Europa al verplicht of aanbevolen is.
Dat brengt ons tot zeven aanbevelingen.
1.Voer tijd- en plaatsafhankelijke congestieprikkels in
In het kort komt het erop neer dat de ACM bevoegd is dit te eisen en in gang te zetten en dat de netbeheerders het vervolgens dienen in te vullen. De snelheid waarmee dit plaatsvindt heeft verstrekkende gevolgen voor de verzwaringskosten en congestieschade. De minister van EZK kan de wens verhelderen en het proces versnellen door middel van een aanwijzing.
2.Geef flexibiliteit inkopen voorrang boven verzwaren
Dit sluit aan bij de Europese eis dat netbeheerders elke twee jaar gedetailleerde investeringsplannen maken waarin wordt onderbouwd hoe voor elk verzwaringstraject de afweging is gemaakt en hoe eerst is geprobeerd flexibiliteit in te kopen. De verwachting van onafhankelijke experts en de Europese Commissie is dat flexibiliteit inkopen daarbij vaak aanzienlijk goedkoper zal blijken te zijn dan verzwaren. Het is de taak van de ACM om te beoordelen of deze afweging voor alle investeringen zorgvuldig wordt gemaakt. Tot nu toe wordt deze wettelijke eis helaas genegeerd.
3.Deel netdata en congestiedata
Geheel in lijn met de nieuwe Energiewet en Europese wetgeving is het noodzakelijk dat netbeheerders gegevens verstrekken over de belasting van hun lokale elektriciteitsnetwerk. Alleen zo kunnen innovatieve marktpartijen de netbeheerders helpen om congestieproblemen en de wachtrij op te lossen. Daar heeft de netbeheerder zelfs al applicaties voor ontwikkeld. Nu is het zaak dat deze informatie ook daadwerkelijk ter beschikking gesteld wordt.
4.Faciliteer Congestion Service Providers (CSP’s)
Dit is een Europese marktrol die bedoeld is om eindgebruikers te helpen bij het voorkomen van netcongestie. Deze rol moet vanaf 2027 verplicht ingevuld zijn maar is in Nederland nog niet uitgewerkt. Met een goed ingevulde CSP-rol en een business case op basis van een congestieprikkel kan een lokaal initiatief grote stappen zetten richting het implementeren van een holon die een belangrijke bijdrage levert aan het voorkomen van netcongestie.
5.Geef bedrijventerreinen informatie en richting
Voorkom het scenario waarin bedrijven allemaal zichzelf helpen en de collectieve piek juist sterk stijgt. Maak zichtbaar waar de grootste kansen liggen, geef hubs proactief goede tooling en zorg voor energie-vestigingsbeleid en voor synergie tussen woonwijken en bedrijventerreinen.
6.Faciliteer Citizen Energy Communities (CEC’s)
Dit is het juridisch vehikel dat de Europese wetgever heeft geschapen voor het faciliteren van lokale energiegemeenschappen. Nederland heeft ervoor gekozen de CEC nog niet te faciliteren. Daardoor wordt nu vaak teruggevallen op het instrument van het gesloten distributiesysteem (GDS of sinds kort GS) maar dit is hier expliciet niet voor bedoeld en maakt het implementeren van volwaardige holons lastig. Het toevoegen van een wetsartikel in de Energiewet dat duidelijk maakt dat Nederland de Europese wetgeving qua CEC’s wel wenst te volgen kan dit probleem oplossen.
7.Verken de oprichting van een Grid Transition Institute
Wij bevelen aan te verkennen of een Grid Transition Institute moet worden opgericht: geen klassiek onderzoeksinstituut, maar een kleine, slagvaardige organisatie naar het model van ARPA-E en het NADI, die met programma’s, second opinions op investeringsplannen en dezelfde data als de netbeheerder – onder gedegen gegevensbescherming – het bestaande net drastisch beter benut. Het ISIE-project is een al lopende eerste stap.
Hoofdstuk
1Inleiding
Eind 2021 aanvaardde een consortium bestaande uit experts van o.a. Witteveen & Bos, Quintel Intelligence en Zenmo simulations een opdracht van het Ministerie van EZK. De opdracht luidde, samengevat: ontwikkel en valideer een tool waarmee gebruikers holarchische configuraties van het energiesysteem kunnen beoordelen en sturingsmechanismes kunnen toetsen. Dit heeft geresulteerd in een aantal tools waarmee gebruikers zelf bepaalde scenario’s kunnen doorrekenen, te zien op holons.energy.
Na dit traject leefden er bij de opdrachtgever een aantal vervolgvragen, die hebben geleid tot een vervolgopdracht. Een van de producten van die vervolgopdracht is deze studie, die de volgende vraag onderzoekt: in hoeverre kunnen holons helpen om de problemen veroorzaakt door netcongestie te verminderen? Inmiddels is er ook een compleet vervolgtraject gestart genaamd ISIE, waarin deze nieuwe onderzoeksrichting wordt gestandaardiseerd over actieve adviesbedrijven en netbeheerders heen en waarin nauwkeuriger duidelijk wordt waar flexibiliteit (bijvoorbeeld batterijen) die je toevoegt aan het systeem de meeste meerwaarde heeft.
1.1Netcongestie
Netcongestie zorgt in Nederland voor grote problemen. Nieuwe woonwijken kunnen niet of moeizaam worden aangesloten op het elektriciteitsnet en bedrijven kunnen hun plannen voor verduurzaming en/of uitbreiding niet uitvoeren.
Als oplossing voor de problemen wordt vaak verzwaring van het elektriciteitsnet genoemd. Dit is echter buitengewoon kostbaar en zal nog jaren kosten, terwijl de problemen nu urgent zijn. Dit rapport betoogt niet dat netverzwaring helemaal niet nodig is. Maar wel dat er daarnaast ook andere oplossingen zijn die veel sneller en goedkoper te implementeren zijn.
Het vinden van die andere oplossingen begint met de realisatie dat we midden in het grootste project in de menselijke geschiedenis zitten: de overstap van het verbranden van biomassa naar iets duurzamers. De mantra bij die overstap is electrify everything. Vooral zon en wind krijgen in razend tempo meer marktaandeel.
Voor de energievoorziening wordt het onplanbare karakter van zon en wind vaak gezien als een probleem maar het bergt ook een oplossing in zich. Zon en wind gaan namelijk gepaard met opslag die slim aangestuurd kan worden met computers, allemaal dingen die in het huidige elektriciteitsnet nauwelijks ingezet worden. In dit rapport gaan we na wat er mogelijk wordt als je al die flexibiliteit die zo ontstaat wel slim inzet.
1.2Doel van dit rapport
In dit rapport onderzoeken we de potentie van het slim aansturen van flex. Flex is hier een verzamelterm voor elektrische voertuigen, warmtepompen, zonnepanelen en batterijen.
Daarnaast vertellen we meer over het concept holarchie, dat in de eerste fase van het project al het uitgangspunt was. De kleinste holon in onze analyse is een woning of bedrijf met flex. Die past samen met andere holons in een buurt- of bedrijfsholon. En die passen weer in de holon van een gemeente of provincie. En die weer in de holon van een land. Zo’n systeem van holons noemen we een holarchie.
Wij hebben de effecten van flex en holarchisch samenwerken onderzocht door middel van een uitgebreide simulatie. Dit is in verschillende opzichten pionierswerk en de komende jaren zal dit soort onderzoek nog sterk verbeterd worden. Het is dan ook niet de bedoeling om de afzonderlijke getallen uit de simulatie als absolute waarheden te presenteren. De simulatie laat echter wel zeer duidelijke trends zien en wij hopen met dit rapport te laten zien dat flex veel meer te bieden heeft dan vaak wordt gedacht.
Hoofdstuk
2Congestieprikkels naar tijd en plaats
Als we de elektriciteitsprijs gericht verhogen op plekken en momenten dat er congestie is, kunnen we de snel toenemende hoeveelheid flex omvormen van iets dat netcongestie veroorzaakt naar iets dat netcongestie voorkomt. Dat zou de wachtrij en de kosten van netverzwaring sterk kunnen reduceren.
Het elektriciteitsnet verandert. We gaan van een net dat congestie passief ondergaat naar een net dat congestie actief voorkomt.
Actief sturen doen we al wel aan de aanbodkant waar energie wordt geproduceerd. Daar hebben we bijvoorbeeld de day-ahead markt voor. Maar we doen alleen iets slims met elektriciteitsproductie. Niet met elektriciteitstransport en de vraagkant. Daarom hebben we netcongestie.
Vanaf nu moeten we ook iets slims gaan doen met elektriciteitstransport en het slimste wat we kunnen doen is heel gerichte vraagsturing op die punten en momenten dat we een probleem hebben. Zo voorkomen we netcongestie. En dat is eigenlijk ons hele rapport in een notendop.
Actief sturen om netcongestie te voorkomen vereist dat netbeheerders inzicht geven in tijd en locatie van netcongestie en dat er een passende vergoeding komt voor het beschikbaar stellen van flex.
We moeten af van de mythe van de koperen plaat
Op dit moment hebben we in Nederland nog een vast nettarief. Dat past bij een passief elektriciteitsnet dat wordt beheerd volgens het idee van de “koperen plaat”: elektriciteit moet overal in het land beschikbaar zijn, ongeacht waar en wanneer men het wil. Je zou verwachten dat de huidige congestieschaarste dit idee zou ontkrachten maar blijkbaar is dat niet zo.
Er wordt veel gesproken over manieren om de koperen plaat te verlaten maar het wordt zelden effectief. We hebben een analyse gemaakt van de bijna duizend verbetervoorstellen die hierover de afgelopen jaren naar de Tweede Kamer zijn gegaan (zie supplement B) maar in geen enkel voorstel wordt slim sturen naar tijd en plaats voorgesteld. Blijkbaar is het zo anders dat betrokken beleidsmakers en netbeheerders het niet eens willen overwegen. Tegelijkertijd is het in de wetenschappelijke literatuur eigenlijk de enige oplossing die we kennen die echt werkt. Een merkwaardige tegenstelling.
De eerste symbolische stap die nu voorzien is, is dat de netbeheerder vaste tijdsblokken gaat invoeren met voor elk tijdsblok een verschillende prijs. Het idee is vooral dat gebruikers tijdens de avondpiek minder gaan gebruiken. Helaas heeft een dergelijk systeem volgens de literatuur en onze simulatie maar weinig effect, geeft het negen van de tien keer een nodeloze prikkel en kan het zelfs contraproductief zijn. De volgende paragraaf gaat hier in meer detail op in.
Het mogelijke voordeel dat wij zien is onbedoeld. Het zou gebruikers wakker kunnen schudden doordat het economisch zeer onvoordelig wordt om niet flexibel te zijn. Het zou er kortom toe kunnen leiden dat gebruikers apparaten gaan kopen en software gaan gebruiken die automatisch zorgen dat ze zo goedkoop mogelijk uit zijn.
Als dat eenmaal is gebeurd zullen velen van hen logischerwijze ook gelijk overstappen op een dynamisch energiecontract zodat ze maximaal besparen. Die dynamische energiecontracten helpen de netbeheerder volgens onze simulatie vervolgens veel meer dan vaste tijdsblokken, zelfs al houden ze geen rekening met netcongestie.
Maar als we eenmaal zover zijn wordt ook een volgende stap voorstelbaar: een congestieprikkel die heel gericht de prijs verhoogt op plaatsen en momenten dat congestie dreigt. Die prikkel kan toegevoegd worden aan de prikkel voor de prijs van de energiecomponent die nu al onderdeel uitmaakt van een dynamisch contract. Dat kan middels hun energieleveranciers of door nieuwe partijen die Europese wetgeving aggregators of Congestion Service Providers (CSP’s) noemt.
Voor klanten betekent het dat hun prijs niet alleen gebaseerd is op de prijs van het opwekken van energie op dat moment maar ook op de prijs van het voorkomen van congestie op dat moment en die plek. Zij zullen hier niet alleen aan meewerken omdat het Nederland als geheel verder helpt maar ook omdat het hun energie goedkoper kan maken.
2.1Vaste tijdsblokken zijn weinig effectief
Netbeheer Nederland heeft voorgesteld om vijf vaste tijdsblokken met vier vooraf vastgestelde prijsniveaus te introduceren. De verlaging van de piekbelasting die hiermee bereikt zou worden, wordt geschat op 3-12%. Dit is niet genoeg om de problemen op te lossen. Bovendien zijn deze tijdsblokken continu van toepassing terwijl netcongestie slechts zelden voorkomt.
Onlangs diende Netbeheer Nederland een voorstel voor een tijdsafhankelijk tarief voor kleingebruikers in bij de Autoriteit Consument en Markt (ACM). Dit plan werd eerder al opgeschreven door adviesbureau Berenschot1. Het idee is om 5 vaste tijdsblokken met 4 vooraf vastgestelde prijsniveaus te introduceren: een iets complexere versie van het dag-nachttarief dat vroeger gold. Berenschot verwacht echter slechts een zeer bescheiden verlaging in piekbelasting van 3-12%.
Wij konden het voorstel niet simuleren omdat de details nog niet bekend waren. Wel konden we de centrale strategie evalueren om verbruik in woonwijken vooral tussen circa 17:00 en 21:00 flink duurder te maken. Toen we dat deden constateerden wij dat dit de pieken met hooguit 15% zou verlagen maar waarschijnlijk minder. Dit is dus in lijn met de schatting van Berenschot.
In tegenstelling tot de haast verwaarloosbare impact op netcongestie is de impact op gebruikers juist groot. Het tarief geeft iedereen een forse tijdprikkel op vaste tijden terwijl netcongestie op die locatie en dat moment slechts sporadisch zal optreden.
Natuurlijk is de kans dat er netcongestie is groter gedurende de tijdsvensters die zwaarder belast worden. Maar omdat netcongestie maar een paar procent van de tijd optreedt is er een kans van boven de negen op tien dat jij door je gedrag op dat tijdsvenster aan te passen geen enkele netcongestie voorkomt. Een van tevoren bepaald tijdsvenster dat altijd en overal geldt is alsof je iedereen die de weg op rijdt belast op momenten dat er afgelopen jaar ergens in Nederland file stond.
Een vast tarief is alsof je alle autorijders belast op momenten dat er ergens in Nederland file kan staan
Vaste tijdsblokken kunnen zelfs contraproductief zijn. Op de overgangen tussen tijdsblokken kunnen namelijk plotselinge pieken optreden. Als dat wordt voorkomen — bijvoorbeeld door iedereen verschillende tijdsblokken te geven — is er een gering positief effect van tussen de 3% en 15%.
Een positief effect van vaste tijdsblokken zou wel kunnen zijn dat alle gebruikers nu moeten wennen aan de realiteit van fluctuerende energieprijzen. Dat kan ertoe leiden dat consumenten zich bewust worden van het probleem en het kan een incentive zijn om flex automatisch op de productieprijs te laten reageren.
Als een gebruiker op deze wijze diens vraag flexibel heeft gemaakt, zou deze vervolgens eenvoudig over kunnen stappen op een dynamisch contract, wat veel meer effect zou hebben dan de vaste tijdsblokken.
2.2Tijd- en plaatsafhankelijke prikkels zijn zeer effectief
De simulatie die wij hebben uitgevoerd (zie par. 5.1.1) en de wetenschappelijke literatuur laten beide zien dat een tijd- en plaatsafhankelijke congestieprikkel een zeer effectieve maatregel is die de pieken vaak met wel 50% kan verlagen.
In essentie is het simpel: de netbeheerder berekent een dag van tevoren welke trafo’s het op welke momenten zwaar krijgen, en op die momenten wordt het gebruik van die trafo duurder. Vervolgens gaat flex die handelt op prijs die specifieke trafo’s op die specifieke momenten helpen om niet overbelast te raken. Maar dat werkt alleen als we gericht bepalen wanneer en waar de netcongestie echt optreedt in plaats van met vaste tijdsblokken te werken.
Een teken dat de tijd- en plaatsafhankelijke congestieprikkel terrein wint, is het ontstaan van steeds kleinere biedzones. De meeste EU-landen vormen nu nog elk één biedzone met één uniforme marktprijs (UMP). Maar landen die eerder tegen netbeperkingen aanliepen zijn al verder: Noorwegen heeft vijf prijszones, Zweden vier, Italië zes tot zeven. In april 2025 publiceerde ENTSO-E de resultaten van de pan-Europese Bidding Zone Review, waarin 14 alternatieve configuraties zijn beoordeeld – waaronder een splitsing van Duitsland in vijf zones en Nederland in twee (ENTSO-E, 20252). ACER oordeelt dat de TSO’s de voordelen van herindeling systematisch onderschatten (ACER, 20253). We zien kortom in Europa een beweging naar meer biedzones.
Buiten Europa gaat het sneller. Daar zien we steeds vaker nodal pricing. In de VS zijn alle grote systeemoperators (PJM, ERCOT, CAISO, NYISO, ISO-NE) daar al op overgestapt. Elke connectie tussen hoog- en middenspanning heeft een eigen prijs die energie-, congestie- en verlieskosten weerspiegelt. Dit voorkomt onder meer het illegaal opdrijven van prijzen, het zogenaamde inc-dec gaming, waarmee energiebedrijf Enron rond de eeuwwisseling veel schade aanrichtte in de staat Californië. Ook Nieuw-Zeeland, Singapore en delen van Australië gebruiken nodale prijzen. Een MIT-werkdocument van Eicke & Schittekatte uit 20224 concludeert dat vrijwel alle geliberaliseerde markten buiten Europa inmiddels nodaal prijzen. Tevens benoemen de auteurs zes hoofdargumenten die in de EU tegen nodale prijzen worden aangevoerd, namelijk: een groter risico op marktmacht, belemmeringen voor flexibiliteit, minder marktliquiditeit, hogere investeringsrisico’s, te grote complexiteit en politiek of sociaal onwenselijke prijsverschillen. De auteurs concluderen dat deze bezwaren geen stand houden. Het Regulatory Assistance Project5 stelt dat nodale prijzen het logische eindpunt van marktontwerp zijn, en dat zonale oplossingen hoogstens een overgangsfase vormen.
Nodale prijzen vallen eigenlijk uiteen in twee componenten: energieproductie en energietransport. Die eerste is politiek omstreden en heeft veel juridische haken en ogen. De tweede is nog relatief nieuw en lijkt vanuit Europese wetgeving juist te worden aangemoedigd.
De grootte van nodes is juist bij energietransport klein. Vaak zijn het immers individuele transformatoren of leidingen die de bottleneck vormen. De ultieme nodal price die optimaal rekening houdt met netcongestie gaat nog verder en geeft idealiter aan elk gebouw een eigen nodale prijs. We gaan hier in paragraaf 3.1.1 dieper op in.
2.3Het probleem van gestapelde veiligheidsmarges
Overigens gaat het beprijzen naar plaats niet alleen om de ene of de andere buurt of het ene of andere bedrijventerrein. Het gaat ook over het juist belasten van congestie op verschillende netniveaus: hoogspanning, middenspanning en laagspanning (je kunt netniveaus ook gedetailleerder onderscheiden maar dat is in deze context niet relevant).
Het probleem is dat elk netniveau vandaag de dag grotendeels onafhankelijk wordt gepland. Dat betekent dat netbeheerders op elk niveau rekening houden met een worst-case-scenario op aangrenzende niveaus. De hoogspanningsplanner houdt rekening met maximale afname vanuit het middenspanningsnet, dat op zijn beurt al gedimensioneerd is op worst-case-belasting vanuit de laagspanning. Deze veiligheidsmarges stapelen zich op – ze vermenigvuldigen in plaats van op te tellen. Dit leidt tot een structurele overschatting van het capaciteitsprobleem.
Dit fenomeen is in de wiskundige optimalisatieliteratuur goed beschreven. Ben-Tal, El Ghaoui en Nemirovski tonen in hun standaardwerk Robust Optimization (2009)6 aan dat wanneer hiërarchische systemen op elk niveau onafhankelijk worden geoptimaliseerd tegen lokale worst cases, de totale benodigde marge veel groter wordt dan noodzakelijk. Het achterliggende principe is betrekkelijk eenvoudig: wanneer elk niveau zich onafhankelijk beschermt tegen zijn eigen onzekerheid, schaalt de totale buffer met de som van alle individuele onzekerheden.
Veel slimmer is het om het integraal te bekijken. Dan hoef je alleen veiligheidsbuffers in te bouwen die rekening houden met de gezamenlijke onzekerheid – en die is aanzienlijk kleiner, vooral wanneer pieken op verschillende niveaus niet op hetzelfde moment optreden.
Dit probleem van gestapelde veiligheidsmarges is goed bekend uit de constructietechniek, waar het cascading safety factors wordt genoemd. Als je op materiaalniveau een veiligheidsfactor van 1,5 toepast, vervolgens op componentniveau opnieuw 1,5, en op systeemniveau nogmaals 1,5, dan is de effectieve systeemveiligheidsfactor niet 1,5 maar 1,5³ ≈ 3,4 – een enorme overdimensionering. De oplossing die de constructietechniek hiervoor heeft ontwikkeld is system-level reliability analysis: je beoordeelt de kans op falen op systeemniveau en neemt daarbij mee hoe (on)waarschijnlijk het is dat problemen op meerdere niveaus tegelijk optreden. (Zie o.a. Ditlevsen & Madsen, 19967; Der Kiureghian & Ditlevsen, 20098, en Ype Wijnia, 20169.) Het resultaat: aanzienlijk lagere veiligheidsmarges en dus hogere benuttingsgraad bij dezelfde betrouwbaarheid.
2.4Implementatie van een tijd- en plaatsafhankelijke congestieprikkel
Een tijd- en plaatsafhankelijke congestieprikkel kan met relatief weinig administratieve complicaties worden toegevoegd aan al bestaande dynamische energiecontracten.
Helaas hebben wij in de honderden stukken betreffende de netbeheerder en netcongestie die de afgelopen drie jaar rond dit dossier naar de Tweede Kamer zijn gestuurd (zie supplement B) geen enkel document kunnen vinden waarin een congestieprikkel die verschilt naar tijd en plaats is uitgewerkt. Het dichtst in de buurt kwam een voorstel van de ACM uit 2019, geschreven door Ecorys en D-Cision dat echter nooit is uitgewerkt. De oplossing die in de wetenschappelijke literatuur wordt geprefereerd speelt in geen van de documenten die naar de Kamer zijn gestuurd een rol van betekenis.
Recent zijn er echter hoopvolle ontwikkelingen. Zo is op 28-2-2024 de motie-Kröger aangenomen die de regering opdraagt te onderzoeken en te rapporteren “hoe tariefdifferentiatie op basis van de belasting van het net door het gebruik (in verbruik, tijd en plaats) mogelijk vormgegeven kan worden”.
Het antwoord van de minister van KGG 19 november 2024 meldde: “Hoewel de potentiële voordelen van tijd- en locatieafhankelijke tarieven groot zijn, spelen bij de vormgeving lastige dilemma’s. Zo kan het oneerlijk worden gevonden om aangeslotenen meer te laten betalen vanwege beperkte ruimte op het elektriciteitsnet in een gebied. Tijd- en locatieafhankelijke tarieven zijn ook complexer, waardoor de uitvoerbaarheid een aandachtspunt is. De ACM heeft in haar publicatie over de uitgangspunten voor de tariefstructuur aangegeven dat de tariefstructuur verbeterd kan worden met meer tijd- en locatieafhankelijke tarieven.”
Blijft over het aandachtspunt van implementatie. Het lijkt ons voor de hand liggend om dynamische transportprijzen toe te voegen aan de huidige dynamische contracten waarin alleen de energiecomponent is verwerkt. De uitvoeringscomplexiteit lijkt ons (vergeleken met honderden miljarden euro’s netverzwaring) relatief beperkt.
Het bestaande dynamische contract dat klanten nu al met een energieleverancier kunnen afsluiten werkt als volgt:
De klant sluit een dynamisch contract met een energieleverancier en geeft daarmee de netbeheerder toestemming de meterstanden per kwartier aan de energieleverancier door te geven.
Dagelijks – nadat de EPEX SPOT-veiling tussen 13:00 en 15:00 uur is gesloten – publiceert de energieleverancier de prijzen die hij de volgende dag aan klanten in rekening gaat brengen.
De klant gaat – waarschijnlijk geautomatiseerd – rekening houden met deze prijzen. Bijvoorbeeld door op goedkope momenten de elektrische auto, batterij en warmtepomp in te zetten.
De energieleverancier berekent de kosten voor de klant door voor elk kwartier de energieprijs te vermenigvuldigen met het gebruik.
De energieleverancier stelt aan het einde van de maand een factuur op waarin die kosten per kwartier allemaal worden opgeteld en waar de kosten voor de netaansluiting bij komen.
Als de netbeheerder een dynamische congestieprikkel introduceert zou deze als volgt bij dit contract kunnen worden opgenomen:
De klant geeft aan ook de dynamische congestieprikkel te willen.
De netbeheerder stelt de prijzen voor de volgende dag per node vast en de energieleverancier telt deze op bij de prijzen die aan de klanten van een bepaalde node worden voorgeschoteld.
De klant houdt op dezelfde manier rekening met die all-in prijzen.
De netbeheerder of energieleverancier telt de variabele congestiekosten op bij de variabele energiecomponent en brengt eventueel een vaste korting in rekening.
De energieleverancier stuurt een factuur.
Er kan dus gebruik gemaakt worden van dezelfde klantrelaties, factuurstroom en contracttypes die nu al bestaan voor het dynamische contract, al is de verbijzondering naar node en de toevoeging van de factuurpost een uitbreiding.
Interessant is ook dat uit de psychologie, sociologie, de focusgroepen die bij Elaad zijn gedaan, en vele pilots, naar voren komt dat gebruikers het belangrijk vinden dat ze het gevoel hebben dat ze “in control zijn”. Er moet altijd sprake zijn van een overrule button. Zie ook self-determination theory, één van de best onderbouwde theorieën uit de psychologie. Vandaar dat gebruikers nooit het gevoel willen hebben dat de netbeheerder hun apparaat zonder hun goedkeuring bedient, zelfs al zijn ze meestal graag bereid om tegen een geringe vergoeding flexibel te zijn.*
2.5Bezwaren tegen een tijd- en plaatsafhankelijke congestieprikkel
De tijd- en plaatsafhankelijke congestieprikkel is vooral iets van economen en ingenieurs op het gebied van energie-innovatie. Traditionele energieleveranciers, netbeheerders en juristen vinden het vaak een haast onvoorstelbare verandering. Toch is de impact op energieleveranciers en netbeheerders en de juridische impact bij nadere beschouwing beperkt.
2.5.1Een oneerlijke verdeling
Er bestaan zorgen dat een tijd- en plaatsafhankelijke congestieprikkel onrechtvaardig uit kan pakken. Dit is grotendeels te ondervangen door de vaste component van het nettarief te verlagen in situaties waarin de variabele component onacceptabel hoog uitvalt.
Het antwoord op het valide punt van mogelijk oneerlijke gevolgen van een prikkel die verschilt naar tijd en plaats is in de economie halverwege de vorige eeuw uitgewerkt in het tweede welvaartstheorema. Kaplow & Shavell (1994) vatten het resultaat goed samen. Kort gezegd is het optimaal om twee dingen tegelijk te doen. Geef allereerst de markt een prijsprikkel die zorgt dat de markt goed gaat werken. Zorg tegelijk voor een tweede welvaartsoverdracht die de marktprikkel niet verstoort maar die ervoor zorgt dat het totaaleffect als eerlijk wordt ervaren. Wiskundig is aangetoond dat dit altijd kan.
Voor die tweede welvaartsoverdracht spreekt men vaak van lump-sum transfer, “hold harmless” provisions (niemand mag de dupe worden) en efficiency-equity separation. Cramton en Stoft hebben in 2006 de meest geciteerde bron geschreven specifiek voor elektriciteitsmarkten. Een simpel voorbeeld: deel de kosten voor gebruikers op in vaste en variabele netkosten. Voor klanten die er oneerlijk duur uitkomen door de toevoeging van variabele netkosten verlaag je de vaste netkosten tot je het eerlijk vindt. Het vaststellen van beide prikkels is politiek niet triviaal maar allemaal meer betalen is wellicht toch de minder goede optie.
2.5.2Het net is onvoldoende bemeterd
Congestieprikkels berekenen vereist goede input en het net is niet overal goed bemeterd. Beter bemeteren kost echter slechts een fractie van netverzwaring, dus het is zaak dat dit snel gebeurt. Maar zelfs als het net niet bemeterd is, kan de congestieprikkel relatief nauwkeurig berekend worden.
Zelfs als een congestieprikkel alleen ruwweg geschat kan worden, is problemen gericht aanpakken effectiever dan een vast tarief dat overal hetzelfde is. De netbeheerder hanteert al modellen om de congestie in te schatten. Op basis van deze modellen wordt nu al bepaald welke klanten geen (uitbreiding van hun) aansluiting krijgen. Er is dus op zijn minst een beeld van waar de belasting het zwaarst is. Dit zou een eerste orde inschatting van de congestieprikkel kunnen opleveren.
De netbeheerder heeft echter al veel betere data tot zijn beschikking in de vorm van slimme meterdata. Door de kwartierwaarden van alle slimme meters die aangesloten zijn op een leiding of transformator bij elkaar op te tellen, kan de belasting nauwkeurig worden vastgesteld. Deze data wordt meestal dagelijks uitgelezen. Met modellen die dit belastingprofiel enkele dagen vooruit extrapoleren op basis van historische patronen kan de belasting per leiding of transformator nauwkeurig worden voorspeld.
Om problemen nog nauwkeuriger vast te stellen en om hier nog sneller op te kunnen reageren is het noodzakelijk dat leidingen en transformatoren worden voorzien van meters die de lokale toestand binnen enkele (milli)seconden doorgeven.
2.6Conclusie
De tijd- en plaatsafhankelijke congestieprikkel is een aantoonbaar effectieve maatregel tegen netcongestie, die op dit moment nog nauwelijks aandacht krijgt in het politieke discours.
“Plaatsafhankelijk” in plaatsafhankelijke congestieprikkel moet ruim worden opgevat: voor de hoogte van de prikkel zou niet alleen moeten worden gekeken naar de netbelasting in de wijk maar ook naar die van het netniveau.
Holons – lokale, semi-autonome eenheden – zijn goed te combineren met een congestieprikkel naar tijd en plaats, omdat ze individueel reageren en zoveel mogelijk problemen oplossen voordat een hoger netniveau wordt belast.
Congestieprikkels zijn het antwoord op de vraag wanneer en waar flexibiliteit gewenst is. Holons beantwoorden de vraag hoe die flexibiliteit vervolgens georganiseerd kan worden. Op holons gaan we in het volgende hoofdstuk dieper in.
Hoofdstuk
3Holons: bottom-up als logisch einddoel
Holons zijn lokale energiegemeenschappen die semi-autonoom zijn. Het zijn zogenaamde microgrids die zelf hun lokale net stabiel houden. Dat betekent ook dat ze het bovenliggende net ontlasten en dat zij indien nodig hun eigen energievoorziening in stand kunnen houden bij een storing. Een belangrijk kenmerk van holons is dat de aansturing bottom-up verloopt.
Een gerichte congestieprikkel zorgt, zoals we in het vorige hoofdstuk zagen, voor betere benutting van het net, wat verzwaringskosten verlaagt en congestieschade wegneemt. Maar we kunnen nog een stap verder gaan om netcongestie te verlichten. Als lokale energiegemeenschappen semi-autonoom zijn, spreken we van holons. Holons houden zelf hun net stabiel. Door hun opgewekte energie zoveel mogelijk binnen de eigen gemeenschap te verdelen, verminderen ze de druk op het bovenliggende net. Desgewenst berekenen ze zelf de congestieprikkel die van hen de ideale klant maakt. Als het bovenliggende net uitvalt werken ze zolang er lokaal nog opgeslagen energie en opwek is gewoon door. Zo verschuift het net van lifeline naar back-up.
Een voorbeeld is een laptop – in feite een kleine holon. Binnenin een laptop bevindt zich een heel ecosysteem van kleine apparaten die voor hun energie afhankelijk zijn van het elektriciteitsnet. Maar als er een “black-out” ontstaat doordat de laptopgebruiker de stekker uit het stopcontact trekt draait de “energiegemeenschap” in de laptop ongestoord verder omdat de laptop een batterij heeft met slimme aansturing. Die combinatie kan het interne ecosysteem enkele uren stabiel houden en van energie voorzien.
Betekent dat dat de holon ook off-grid zou kunnen functioneren? Ja, maar niet zo lang. Midden in de winter in Nederland zou je erg veel zonnepanelen nodig hebben. Een dieselgenerator inschakelen is een optie maar dat is relatief duur. Windturbines en seizoensopslag zijn bij ons – zo ver van de evenaar – kosteneffectiever. Daarom blijft het in Nederland over het algemeen goedkoper om regelmatig contact met het net te zoeken. En daarom spreken we van semi-autonome energiegemeenschappen.
3.1Hoe werken holons?
Technisch gesproken is één holon een microgrid. Lasseter wordt vaak gezien als de grondlegger van het concept.10–12 Zijn kernidee is dat gedistribueerde opwekking pas werkt als je generatie en bijbehorende belasting als één controleerbaar subsysteem behandelt, niet als losse onderdelen.
Zie ook het Europese standaardwerk van Nikos Hatziargyriou.13,14 Dit leidde tot de volgende tegenwoordig vaak gebruikte definitie:
“Een microgrid is een groep van onderling verbonden belastingen en gedistribueerde energiebronnen binnen duidelijk gedefinieerde elektrische grenzen, die als één controleerbare entiteit functioneert ten opzichte van het net.”15
Een microgrid gebruikt de revoluties in computers, batterijen en decentrale opwek om met zogenaamde grid-forming inverters een lokaal net stabiel te houden. Grid-forming inverters worden in supplement A beschreven. In essentie zijn het kleine computers die wanneer ze gekoppeld worden aan een batterij of andere flex lokaal alle aspecten van de power quality binnen nauwe toleranties kunnen houden.16–18 Dat is relevant omdat problemen met power quality nu nog voor veel schade zorgen.19,20 In het bijzonder voltagefluctuaties21,22 en harmonische vervorming.23–25
Het resultaat voor de netbeheerder in simpele termen: als duizend klanten van de netbeheerder samen een holon vormen worden ze qua netbelasting samen één grote klant die het net minder belast dan de duizend aparte klanten voorheen.
3.1.1Het belang van holons voor de berekening van de congestieprikkel
Met holarchie kan je de centrale aansturing met top-down berekende congestieprikkels vervangen door gedistribueerde aansturing met een bottom-up berekende prikkel. Dat maakt de berekening veel makkelijker en dat heeft weer vele voordelen.
In het vorige hoofdstuk kwam het begrip nodale beprijzing al aan bod. Simpel gezegd betekent het gewoon dat verschillende plekken (nodes) een verschillende prijs hebben. Om de effectieve nodale prijs te bepalen moet je hem echter wel eerst berekenen.
De gangbare rekenmethode waarmee de nodale prijzen van een compleet elektriciteitsnetwerk top-down kunnen worden berekend wordt in de wetenschappelijke literatuur vaak als OPF aangeduid wat staat voor Optimal Power Flow.
Met OPF bereken je in één keer voor het hele netwerk wat elk kwartier (bijvoorbeeld elk kwartier van de day-ahead markt) de optimale prijs zou zijn. Maar een berekening die met alle nodes tegelijk rekening moet houden is computationeel kostbaar. Naarmate er meer nodes bijkomen kost de berekening exponentieel meer tijd. Simpel gezegd: voor een paar honderd nodes is het makkelijk maar voor een paar honderdduizend of zelfs een paar miljoen nodes is het gewoon niet te doen.
Optimal Power Flow wordt dus lastig voor grote aantallen nodes, en dat is nu precies waar het wel naartoe gaat. Eerst hadden we dus biedzones voor zowel productie als transport. In heel Europa worden dat zelfs bij de meest ambitieuze plannen hooguit honderden biedzones. In de VS zijn er een paar duizend biedzones. Dit heet dan ook wel LMP voor locational marginal pricing. Gewoon een andere naam voor nodal pricing op de nodes van je hoogspanningsnet. In Nederland bijvoorbeeld één prijs voor elk van de circa 400 nodes van TenneT.
Maar er is nu ook steeds meer sprake van zogenaamde DLMP ofwel distributed locational marginal pricing. Dat betekent dat ook de DSO’s ofwel distribution system operators mee gaan doen. Denk in Nederland aan Alliander, Enexis en Stedin. Als die hun laagspanningstrafo’s nodaal gaan beprijzen heb je het over 140 duizend nodes. En Bai et al. (2018) laten zien dat je daarbij idealiter rekening houdt met vijf componenten – waaronder congestie- en spanningskosten. Dat is met OPF gewoon niet te doen. Bovendien heb je dan nog steeds niet de fijnmazigheid die we eigenlijk zouden willen.
Die fijnmazigheid bereik je wel met een bottom-up berekening vanuit een holon. Die deelt het probleem namelijk op in stukjes met stuk voor stuk een beperkt aantal nodes en rekent elk stukje eerst apart door. Het gevolg is dat de berekening razendsnel gemaakt en razendsnel aangepast kan worden. Omdat de berekening zo snel gaat kan een holarchie ook rekening houden met voltage en reactief vermogen.
Tot slot is qua organisatie, governance en regelgeving belangrijk dat bij holarchie het bepalen van de prijs dicht bij de gebruiker gebeurt en rekening kan houden met lokale wensen en omstandigheden.
Verdieping: Prijsberekening op basis van Optimal Power Flow
Een eerste uitdaging van OPF is dat er veel informatie nodig is om het perfect te doen waardoor OPF in de praktijk gedwongen is short cuts te nemen die het resultaat theoretisch minder optimaal maken. Dat betekent niet dat we het dan maar niet moeten doen – iets is beter dan niets – maar het is wel een groot verschil met bottom-up berekeningen binnen een holon waarvoor veel minder informatie nodig is om het theoretisch perfect te doen.
Als je echt de Optimal Power Flow voor het gehele netwerk wilt berekenen dan moet je rekening houden met spanning, fase-hoeken, reactief vermogen, en verliezen. Dit wordt in de literatuur de AC-OPF genoemd. Die AC-OPF is nauwkeurig maar wiskundig vervelend: de vergelijkingen zijn niet-lineair (ze bevatten sinus- en cosinusfuncties van fase-hoeken) en niet-convex (er kunnen meerdere lokale optima zijn). Dat maakt het oplossen langzaam en onzeker – soms convergeert het algoritme niet, soms vindt het een lokaal optimum in plaats van het globale.
Khaloie et al. (2025) bevestigen dat de computationele last exponentieel toeneemt met het aantal knooppunten en dat real time oplossing van grote distributienetten een open probleem blijft. Distributed OPF-varianten verminderen de rekentijd per knooppunt maar verhogen de communicatiekosten, en hun convergentiegedrag bij niet-convexe problemen is onzeker (Oh, 2021). In simpele termen: de berekening van de AC-OPF blijft altijd een probleem dat heel moeilijk snel op te lossen is. De Federal Energy Regulatory Commission in de VS bevestigt dit. Zij concludeert na vijftig jaar onderzoek dat er nog altijd geen snelle, robuuste oplossingsmethode bestaat voor het volledige AC-OPF-probleem. Daarom gebruiken de netbeheerders in de praktijk de DC-OPF, wat sneller is maar minder nauwkeurig.
De DC-OPF is een vereenvoudiging die drie aannames maakt: (1) spanningen zijn overal gelijk aan de nominale waarde, (2) fase-hoek-verschillen tussen knooppunten zijn klein, en (3) verliezen worden genegeerd. Die aannames maken de vergelijkingen lineair, wat het probleem drastisch eenvoudiger maakt – lineaire problemen zijn in polynomiale tijd oplosbaar. Maar de vereenvoudiging heeft een prijs: DC-OPF “ziet” geen spanningsproblemen, onderschat verliezen, en kan oplossingen geven die fysiek onhaalbaar zijn als je ze op het echte (AC-)net toepast.
3.2.1Bottom-up aansturing
Bij een bottom-up aansturing van het elektriciteitsnet is er in plaats van het traditionele, centrale top-down systeem sprake van een decentraal systeem, waarbij lokale opwek, opslag en verbruik centraal staan. We leggen uit hoe dit werkt aan de hand van het werk rond transactive energy (TE) van professor Koen Kok.
Bottom-up aansturing kan op veel verschillende manieren maar we nemen hier als voorbeeld transactive energy26 (TE) waarvan Koen Kok, hoogleraar aan de TU Eindhoven, al ruim twintig jaar een vooraanstaande exponent is.
Bij transactive energy hebben een aantal gebruikers een gezamenlijke veilingmeester. Eigenlijk werkt die veilingmeester net als TenneT maar dan op lokaal niveau. Die veilingmeester (in TE ook wel concentrator genoemd) ontvangt van alle gebruikers die meedoen een biedcurve die aangeeft tegen welke prijs ze stroom willen leveren. Dit alles gebeurt automatisch. De gebruikers zijn de baas maar de apparaten bedrijven handel. Het is een society of devices in de woorden van Koen Kok. Vaak worden de apparaten vertegenwoordigd door een HEMS (Home Energy Management System) of BEMS (Building Energy Management System): dus niet elk flexibel apparaat hoeft zelf in staat te zijn om direct met de veilingmeester te praten. Maar dat is wel hoe je transactive energy het beste kunt begrijpen: apparaten die namens hun baas deals maken met de veilingmeester.
De biedcurves die apparaten indienen beschrijven de bereidheid van het apparaat om bij een bepaalde prijs een bepaalde hoeveelheid te verbruiken of te produceren. In zekere zin gedragen die apparaten zich daarmee als de huidige energieleveranciers maar dan verspreid over heel veel apparaten.
De veiling klaart door de geaggregeerde vraag- en aanbodcurves te snijden; het resulterende snijpunt is de evenwichtsprijs. Die prijs wordt teruggekoppeld naar alle deelnemende apparaten, die hun gedrag daarop aanpassen (Kok, 2013; Kok & Widergren, 2016).
Het mechanisme is conceptueel identiek aan een gewone markt: kopers en verkopers ontmoeten elkaar, de prijs vormt zich uit hun gezamenlijke biedingen, en elke partij beslist zelf of die prijs acceptabel is. Het verschil met een gewone markt is dat de deelnemers geen mensen zijn maar apparaten, dat de intervallen kort zijn (seconden tot minuten), en dat de transacties volledig geautomatiseerd zijn.
Een implementatie van TE is de PowerMatcher, een software-oplossing die werd ontwikkeld door TNO en de Technische Universiteit Eindhoven met steun van netbeheerder Alliander en het paper van Koen Kok daarover uit 2005 is nog steeds één van de meest geciteerde in het veld.
Niet elk apparaat hoeft mee te doen. Als er minder apparaten meedoen klaart de veiling gewoon met minder biedcurves. De PowerMatcher is hier expliciet voor ontworpen: apparaten kunnen op elk moment in- en uitstappen (“plug and play”), en de convergentie naar het evenwicht is ook onder wisselende deelname gegarandeerd (Muto et al., 2018).
De netbeheerder hoeft bij transactive energy niet als prijszetter op te treden. Hij geeft alleen door hoe groot de netbelasting is. Als de flexcapaciteit van de deelnemende apparaten groot genoeg is blijven de pieken gegarandeerd binnen de maximale netbelasting want dit is voor de veilingmeester een harde randvoorwaarde. Natuurlijk moet hier wel een vergoeding tegenover staan maar die kan per periode worden vastgesteld en door de veilingmeester eerlijk worden verdeeld. Al met al wordt de netbeheerder met holons vergaand ontzorgd.
Die ontzorging is institutioneel ook elegant. In het top-down model vervult de netbeheerder een dubbele rol: hij is netbeheerder én prijszetter. De netbeheerder berekent de prijs, publiceert deze, en is verantwoordelijk voor de juistheid ervan. Dat is een rol waar toezichthouders, terecht, vraagtekens bij plaatsen.† Het past ook niet optimaal in de Europese regelgeving die expliciet aanstuurt op een scheiding tussen netbeheer en marktactiviteiten.
Netcongestie is een complex probleem maar holons delen dat probleem op in kleine hapklare brokken. Dat maakt het ook mogelijk om de ideale congestieprikkel te berekenen. De wetenschappelijke literatuur laat zien dat een bottom-up berekening van congestieprikkels vrijwel even nauwkeurig is als een top-down berekening, maar veel vaker en dus doeltreffender gemaakt kan worden, zoals we al zagen in de vorige paragraaf.
De top-down en bottom-up benaderingen kunnen parallel ingevoerd worden. De centrale top-down prikkel zou per TenneT-node aan klanten aangeboden kunnen worden. Tegelijkertijd zouden we in buurten en op bedrijventerreinen bottom-up met de nog grotere revolutie kunnen beginnen. Zo kunnen we per direct netcongestie van twee kanten tegelijk op gaan lossen.
3.2.2Holarchie: een systeem van geneste holons
Kenmerkend voor holons is dat ze deel uitmaken van andere holons terwijl ze zelf holons kunnen bevatten. Die geneste structuur van meerdere holonen noemen we een holarchie.
Holons in een holarchie helpen niet alleen zichzelf want een puur egoïstische houding is geen duurzame strategie.‡. Op het elektriciteitsnet bijvoorbeeld door pieken op bovenliggende en onderliggende netvlakken glad te strijken op momenten dat zij daar zelf de ruimte voor hebben.
In zekere zin is holarchie het logische eindpunt van de transitie van een top-down netwerk – waarin alles centraal gepland wordt en consumenten geen flexibiliteit en agency hebben – naar een bottom-up netwerk waarin de revoluties op het gebied van computers, flex en decentrale opwekking gebruikers de mogelijkheid geven om het net en elkaar te helpen.
Holarchie is een term die Arthur Koestler in 1967 muntte voor een hiërarchie van holons, eenheden die tegelijk zelfstandig geheel en onderdeel van een groter geheel zijn.
Herbert Simon legde vijf jaar eerder de wiskundige basis in zijn baanbrekende artikel over de architectuur van complexiteit. Hij illustreerde het principe met de parabel van de horlogemakers Hora en Tempus.
Hora en Tempus bouwen allebei horloges met duizend onderdelen, maar Tempus assembleert het horloge als één geheel: bij elke verstoring valt alles uit elkaar en moet hij opnieuw beginnen. Schokken planten zich net als in het huidige elektriciteitsnet over een groot deel van het systeem voort.
Hora daarentegen werkt met stabiele tussenniveaus: deelassemblages van tien onderdelen, gecombineerd in groepen van tien, samengevoegd tot het uiteindelijke horloge. Onder identieke verstoringsfrequenties voltooit Hora zijn horloges ordegroottes sneller, omdat zijn tussenstructuren als stabiele tussenstappen fungeren die de schade van elke onderbreking begrenzen.
Simon en later Wagner en Altenberg lieten zien dat evolutie alleen kan werken als ze werkt met stabiele tussenniveaus. Van moleculen naar eencellige wezens naar complexe organen van complexe organismen die opgebouwd zijn uit stabiele substructuren.
Simon noemde de eigenschap die dit mogelijk maakt bijna-ontleedbaarheid (near-decomposability): de interacties binnen modules zijn sterk en snel, terwijl de interacties tussen modules zwak en langzaam zijn. Het gevolg is dat elk niveau zijn eigen dynamiek kan bereiken zonder dat het hele systeem centraal hoeft te worden doorgerekend.
Het elektriciteitsnet is vandaag de dag als Tempus in de parabel van Herbert Simon. Miljoenen apparaten zijn aangesloten op een monolithisch systeem zonder stabiele tussenlagen die zichzelf semi-autonoom besturen, schade beperken en leren.
Maar de fysieke structuur van Hora is al aanwezig: laagspanningstrafo’s hebben eigen klanten en interacteren alleen via de bovenliggende middenspanningstrafo. De netniveaus vormen al een natuurlijke hiërarchie. Het net heeft de geneste structuur, het benut hem alleen niet.
3.2.3Van een kluwen naar een hiërarchisch genest systeem
Doordat het huidige net continu en zonder intelligentie alles aan alles koppelt is het in feite geen hiërarchisch systeem. In een niet-hiërarchisch systeem kan in principe elk onderdeel met elk ander onderdeel interageren. Het aantal mogelijke interacties groeit kwadratisch met het aantal componenten. Het is wiskundig aan te tonen dat een genest systeem efficiënter is.
In een genest systeem blijft het overgrote deel van de interacties lokaal: componenten interageren intensief met de componenten die zij in zich hebben en frequent met de componenten erboven maar zelden met verre niveaus.
Simon en Ando formaliseerden dit wiskundig in 1961: in een bijna-ontleedbaar systeem bereiken de snelle dynamieken binnen modules snel een lokaal evenwicht, terwijl de trage dynamieken tussen modules beschreven kunnen worden door een veel eenvoudiger geaggregeerd model. Courtois paste dit decompositieprincipe in 1977 direct toe op wachtrijnetwerken en congestieproblemen en toonde aan dat dezelfde wiskundige technieken werken voor het analyseren en beheren van congestie in netwerksystemen. Mesarović, Macko en Takahara ontwikkelden parallel daaraan een formele theorie van hiërarchische meerniveausystemen die liet zien hoe coördinatie tussen niveaus de totale informatieverwerkingslast drastisch verlaagt.
De internetarchitectuur biedt het meest herkenbare technologische bewijs. Saltzer, Reed en Clark formuleerden in 1984 het end-to-end-principe: functies als betrouwbaarheid, beveiliging en foutcorrectie horen thuis aan de uiteinden van het netwerk, niet in het netwerk zelf. Het netwerk hoort eenvoudig en generiek te zijn; de intelligentie hoort bij de eindpunten. Dit is een direct equivalent van Simons bijna-ontleedbaarheid, toegepast op communicatie-infrastructuur: houd de koppelingen tussen lagen zwak en generiek, en laat de modules autonoom functioneren. Het resultaat is bekend: elke innovatie, van e-mail tot videoconferencing tot gedecentraliseerde financiën, kon worden uitgerold zonder het netwerk zelf aan te passen.
Het huidige elektriciteitsnet is het tegenovergestelde. De netbeheerder neemt centraal de operationele beslissingen en de eindpunten zijn passieve afnemers of toeleveranciers. Elke innovatie in lokaal energiebeheer, van vehicle-to-grid tot wijkbatterijen tot peer-to-peer energiedeling, vereist systeembrede coördinatie en door alle netbeheerders geaccordeerde aanpassingen van de netcode. Een geneste architectuur verschuift de intelligentie naar de randen, net als bij het internet of bij een groep mensen waarin iedereen zelfstandig beslissingen mag nemen. Dat maakt de besluitvorming ordegroottes sneller omdat die door kleine groepjes of zelfs individuen kan worden gedaan in plaats van door iedereen samen.
3.2.4De voordelen van een holarchisch elektriciteitsnet
Dat de voordelen van een holarchisch systeem ook van toepassing zijn op het elektriciteitsnet wordt bevestigd in de vakliteratuur.
Rehtanz et al. van de TU Dortmund en RWTH Aachen stellen in een recent artikel expliciet dat een holarchische architectuur de complexiteit van het toekomstige energiesysteem beheersbaar maakt en veerkracht vergroot, doordat holons als semi-autonome eenheden hun eigen lokale coördinatie verzorgen. Dit gedachtegoed heeft ook in Nederland wetenschappelijke wortels: Negeri, Baken en Popov van de TU Delft pasten dezelfde holarchische principes al eerder toe op het Nederlandse smart grid.
Maar een geneste structuur heeft meer voordelen. Een geneste structuur is ook inherent stabiel omdat ze verstoringen maximaal voorkomt en een verstoring in de regel beperkt blijft tot de holon waarin zij optreedt. De zwakke koppelingen naar aangrenzende holons fungeren als brandschotten die de voortplanting vertragen of stoppen. Del Vecchio en Slotine hebben dit recentelijk ook gekwantificeerd voor niet-lineaire dynamische systemen.
Wanneer Hora in Simons parabel wordt gestoord, verliest hij alleen de module waar hij mee bezig is. Tempus verliest alles. De grote stroomuitvallen van de afgelopen eeuw laten zien dat elektriciteitsnetten monolithische systemen zijn die zich gedragen als Tempus.
Bij de Noord-Amerikaanse black-out van 14 augustus 2003 veroorzaakte het uitvallen van enkele hoogspanningslijnen in Ohio een cascade die binnen drie minuten 265 centrales uitschakelde en 55 miljoen mensen zonder stroom zette. De gezamenlijke taskforce van de VS en Canada concludeerde dat het systeem zich niet tijdig kon opdelen in stabiele eilanden, juist omdat de architectuur geen gestructureerde grenzen bevatte waarlangs gecontroleerd geïsoleerd kon worden. De gebieden die wél op eilandbedrijf (tijdelijk losgekoppeld van het landelijke netwerk) konden overgaan, zoals westelijk New York, bleven functioneren met circa 5.700 MW aan lokale opwek en vraag in balans. Met holons kan elke stad, wijk, buurt en huis een eiland worden waar de storm aan voorbijtrekt.
Dobson et al. toonden aan dat de statistiek van grote stroomuitvallen een machtswet volgt. Het opdelen van een netwerk in kleinere segmenten verhoogt weliswaar de kans op kleine onderbrekingen, maar vermindert het totale volume onbediende vraag substantieel. Een genest systeem sluit verstoringen niet uit, maar voorkomt wel dat het grote catastrofes worden.
Dit is meer dan veerkracht in de zin van terugveren naar de oude toestand. In een genest systeem leert het grotere systeem van lokale verstoringen: de eilanden die wél functioneerden bij de black-out van 2003 werden het model voor de microgridbeweging erna. Dat is anti-fragiliteit: het systeem wordt beter door schokken.
Als een genest systeem niet alleen schokken begrenst maar ervan leert, dan is het ook een systeem dat sneller kan innoveren. Lokale experimenten die mislukken doen het geheel niets; experimenten die slagen worden gekopieerd. Dit is het diepere punt van Simons parabel: stabiele tussenniveaus zijn niet alleen robuuster tegen verstoringen, zij zijn de reden waarom complexe systemen überhaupt kunnen ontstaan. Zonder stabiele deelassemblages kan geen enkel complex systeem stapsgewijs verbeteren, want elke onderbreking vernietigt de tussentijdse voortgang.
Dit inzicht heeft geleid tot een groeiend wetenschappelijk en praktisch draagvlak voor defensive islanding: het proactief opdelen van het net in zelfvoorzienende eilanden bij een naderende extreme gebeurtenis. Panteli en Mancarella introduceerden hiervoor een veerkrachtsraamwerk dat vier fasen onderscheidt: weerstand bieden, absorberen, aanpassen en herstellen. In vervolgwerk demonstreerden zij dat proactief eilandbedrijf de omvang van stroomuitvallen bij zware stormen met 30 tot 50 procent kan reduceren. Li, Shahidehpour et al. werkten dit uit tot een breed onderbouwd pleidooi voor netwerken van microgrids (wij zouden ze holons noemen) als universele veerkrachtsoplossing tegen extreme gebeurtenissen, een paper dat inmiddels meer dan duizend keer is geciteerd.
3.2.5Verticale hulp: multi-echelon coördinatie in real time
Bij multi-echelon coördinatie optimaliseert elke laag zichzelf om het resultaat te presenteren aan de laag erboven. Dit principe is in verschillende case studies geverifieerd.
Wanneer een laagspannings-holon congestie dreigt te krijgen, hoeft dat probleem niet lokaal te worden opgelost. Via het prijsmechanisme signaleert de holon het capaciteitstekort aan de bovenliggende middenspannings-holon. Die kan vervolgens aan andere laagspannings-holons vragen of zij hun vraag kunnen verschuiven naar momenten waarop wel ruimte is. Dit is multi-echelon coördinatie in real time: dezelfde wiskundige structuur die in de logistiek en telecommunicatie bewezen heeft dat gecoördineerde optimalisatie over meerdere niveaus 30 tot 50 procent minder buffers vereist dan optimalisatie per niveau afzonderlijk. Kristov, De Martini en Taft beschreven dit in hun architectuurvoorstel als Layered Decentralized Optimization: elke laag optimaliseert zichzelf en presenteert het resultaat als een “virtuele resource” aan de laag erboven.
Kelly et al. toonden in het domein van netwerkcommunicatie aan dat wanneer schaduwprijzen over alle niveaus worden gedeeld, lokale beslissingen convergeren naar het globale optimum. De holarchie biedt precies die informatiestructuur. Dat dit niet alleen theorie is, laat de kwantificering van Pearson et al. voor Duitsland zien: TSO-DSO coördinatie bij redispatch kan in een 2030-scenario tot 300 miljoen euro per jaar besparen.
Bustos et al. bevestigden met simulaties van meerdere gekoppelde microgrids dat hiërarchische coördinatie op twee niveaus pieken afscheert en operationele kosten verlaagt ten opzichte van ongecoördineerde aansturing. Een Zwitserse casestudy demonstreerde hetzelfde principe in de praktijk: bidirectionele uitwisseling van actief en reactief vermogen tussen TSO en DSO’s via een gestructureerd coördinatieraamwerk. ENTSO-E en de EU DSO Entity hebben deze coördinatie inmiddels tot Europees beleidskader verheven, inclusief het concept van een gezamenlijke flexibiliteitsmarktplaats voor TSO’s en DSO’s.
In andere domeinen is men zich hier al volop van bewust. In de supply-chain-wetenschap spreekt men over multi-echelon optimalisatie. Clark en Scarf34 bewezen al in 1960 dat het gelijktijdig optimaliseren van buffervoorraden over alle niveaus van een toeleveringsketen tot lagere totale voorraden leidt dan optimaliseren voor elk niveau apart. Graves en Willems35 toonden rond de eeuwwisseling aan dat de reductie in de praktijk wel 30 tot 50 procent bedraagt wanneer buffers netwerkbreed worden gebruikt. Cachon en Fisher ontleedden het effect en concludeerden dat het vooral belangrijk is dat netplanners op verschillende niveaus informatie over problemen transparant en snel met elkaar delen.
En dit zien we niet alleen bij supply chains:
Waterbeheer: Labadie’s overzichtsstudie naar multi-reservoir-systemen laat zien dat gecoördineerde aansturing de benodigde overstromingsbuffer verkleint ten opzichte van onafhankelijk beheerde reservoirs.
Wachtrijtheorie: Harrison en Van Mieghem toonden aan dat gecentraliseerde werklastbesturing dezelfde doorvoer behaalt met strikt minder buffercapaciteit dan onafhankelijk beheer per wachtrij.
Productie: Hax en Meal lieten al in 1975 zien dat het onafhankelijk plannen van hiërarchische productieniveaus tot overbodige capaciteitsbuffers leidt, terwijl geïntegreerde planning deze reduceert.
Voor een land dat honderden miljarden investeert in netverzwaring om congestie op te lossen, is multi-niveau-optimalisatie gezien ervaringen in andere domeinen een manier om in ieder geval tientallen miljarden te besparen. Het vereist vooral dat data over wat er op de verschillende lagen precies aan de hand is snel en transparant wordt gedeeld en dat er een congestieprikkel komt die elektronen aanmoedigt om de spits te vermijden.