Kees Groeneveld | fotografie: ESP
Binnen de TU Delft werken drie verschillende vakgroepen samen aan de netwerken van de energietransitie. In hun nieuwe gezamenlijke Electrical Sustainable Power Lab wordt straks geëxperimenteerd en getest met ultra-hoogspanning, hoogspanning, middenspanning, (ultra)-laagspanning, wisselspanning, gelijkspanning. Kortom, schakelen, schakelen, schakelen. Een leek begrijpt dat het voorkómen van kortsluiting de uitdaging is in het nieuwe ESP Lab.
Kees Groeneveld | fotografie: ESP
Het Electrical Sustainable Power Lab gaat opereren in het kathedraalachtige gebouw dat in de vorige eeuw werd gebouwd als High Voltage (HV)-laboratorium. Hoe anders dan de labs voor chemie of biologie.
Geen zuurkasten, pipetten, reageerbuizen en kolven op labtafels, maar enorme ‘impuls voltage generatoren’, Tesla-spoelen, transformatoren en kooien van Faraday. En ja, ook spectroscopie, diëletrisch, om de eigenschappen van materialen en componenten te karakteriseren.
Grote installaties om hoogspanningskabels te testen, maar ook werkplekken voor onderzoek aan materialen op nanoschaal, voor het testen van componenten, zonnecellen en vermogenselektronica. En er zijn ter plekke supercomputers nodig voor real time-simulatie van het complete elektriciteitsnet van Nederland.
Bevindingen van het ESP zijn van groot belang voor de uitdagingen die de energietransitie stelt aan elektriciteitsnetwerken. We moeten naar een ‘smartgrid’ net. De tijd van eenduidige hoogspanningscentrales is voorbij. Warmtekrachtinstallaties van tuinders leveren stroom terug aan het net en diverse energiebronnen vragen om koppeling. Denk aan wind, zon, water, warmte/koude, gesmolten zout, maar ook aan de opslag van elektriciteit in al zijn facetten. Vernieuwing van wetenschappelijke infrastructuur, lees: laboratoria, moet de voor de energietransitie noodzakelijke disruptieve technologie beschikbaar maken.
“Alles wat te maken heeft met de opwekking, transport, distributie en consumptie van elektriciteit komt hier samen” legt professor Miro Zeman uit, voorzitter van de samenwerkende vakgroepen. “In het lab wordt de nieuwe hardware, zoals zonnepanelen, vermogenselektronica en ook de elektrische auto ‘in the loop’ gekoppeld aan supercomputers. Zo kunnen we de interactie met hardwarecomponenten, dan wel het netwerk simuleren en bestuderen. Nergens in de wereld gebeurt dit tot nu toe op deze schaal.” Bert Wielders is senior projectmanager bouw van de TU Delft. “Het bewaken van de functionaliteit is lastig en alles hangt aan elkaar. De integraliteit is enorm. De onderzoeksgebieden zijn aan elkaar gerelateerd, maar tegelijk zijn ze moeilijk te combineren”. In het net moet dat in de toekomst gaan en blijven werken. Daarom nu eerst in het lab. Niet voor niets noemde professor Palensky het ‘De digitale tweeling van het Nederlandse net’ bij de start van de bouw.
De realisatie van het nieuwe laboratorium vroeg vanwege haar complexiteit om centrale sturing. Op nadrukkelijke instigatie van de TU Delft gaf projectmanager Peter Govers van technische dienstverlener Kuijpers vorm en inhoud aan een commissioningplan voor beheersing van het proces van ontwerp tot en met het gebruik van de installaties. Het thema ‘spanning tussen spanning’ kreeg aldus topprioriteit.
“Het spannendste is dat alles 10kv geïsoleerd moet zijn, alles, alles, alles...”Professor Miro Zeman
‘Afscherming’ is het sleutelwoord bij de realisatie van het nieuwe lab. Overal in de fysieke infrastructuur van het gebouw is terug te vinden dat het voorkómen van verstoring topprioriteit is. Afscherming hier is net zo basaal als spoorrails, wissels, remmen en slagbomen bij het veilig laten rijden van een trein. “Het draait vooral om shielding,” weet ook Petran Kuijpers van ingenieursbureau Aronsohn inmiddels. Hij is verantwoordelijk voor het bouwmanagement van het project. De verschillende ruimtes in het gebouw dienden ‘Kooi van Faraday’-eigenschappen te krijgen. Hiervoor klom Holland Shielding Systems aan boord. Dirk van der Lei, is projectmanager bij Holland Shielding: “De verstoringen in dit lab zijn wederzijds. Elektromagnetische afscherming is hier echt niet zomaar iets. Aan de ene kant probeert iemand microvolts te meten en ergens anders staat een ander met miljoenen volts te knallen. Via een aardlus kun je energie overdragen, dat is een risico. We hebben dat opgelost door de kooi op één punt te aarden.”
Hij geeft direct toe dat dit dat eigenlijk ‘not done’ is in een hoogspanningslab. “Op kleine afstand kun je daar weer hoge spanning opbouwen. Daarom hebben we de kooi helemaal geïsoleerd opgesteld en werken we met arrestors, schakelaars die op spanning gestuurd schakelen. Komt er een puls, dan zorgt de arrestor (een soort (hoge)spanningafleider) dat de spanning veilig blijft. Het spannendste is dat alles 10kv geïsoleerd moet zijn, alles, alles, alles….” Jan Lakerveld van bouwbedrijf Constructif ervaart het: “Normaal hebben we wel te maken met aarding, maar hier…” Jan Lakerveld van bouwbedrijf Constructif ervaart het: “Normaal hebben we wel te maken met aarding, maar hier…”
“Het thema ‘spanning tussen spanning’ kreeg topprioriteit”Professor Miro Zeman
Ook voor onafhankelijk kwaliteitsmanager Arthur van Ree is dit project speciaal. “De technische eisen zijn zo specifiek, dat je dieper moet gaan met de protocollen en met de visuele en functionele inspecties. Voor mij is het ook boeiend om te leren van de onderzoeksgroepen die het lab gaan gebruiken. ‘Wat gaan jullie daar straks doen?’ vroeg ik hen. ‘We gaan testen’. Wat heb je daarvoor nodig? Hoe ga je testen, wie, wanneer, en in welke volgorde. En hoe zorgen we dat je geen last hebt van elkaar?’” De proof of the pudding is eating it. “De Kooi van Faraday is al wel getest, maar straks als de gebruikers zelf aan de gang gaan, komt de dag van de waarheid.”
Professor Zeman is vooralsnog tevreden. “Alles loopt op schema. In de loop van 2021 kan het lab operationeel zijn. We hebben een lange voorbereiding gehad, eigenlijk heeft die elf jaar gelopen. Maar in de realisatie gaat het heel goed.” De architect is vanaf 2014 betrokken. “Wij zijn geen specialist in het vormgeven van laboratoria”, geeft Pelle Poiesz van HP Architecten toe, “maar onze proceshouding bleek belangrijk. We hebben ons afgevraagd hoe je de esthetische kant een stip aan de horizon kunt laten zijn. De architectuurtaal hebben we gekoppeld aan de techniek. Dat geheel kreeg de gelaagdheid van een ui. Daar moest flexibiliteit in worden ingebouwd en de systemen moesten zichtbaar zijn, met name in het hoogspanningdeel van het lab,. Dat hebben we opgelost met een schuin plafond in het gedeelte van waaruit je in de testruimte kunt kijken. Als het esthetisch kán, dan moet het ook.” Hij wijst op de buitenramen die er moesten komen om goed te kunnen werken in de kleinere ruimtes voor onderzoek aan kleine componenten en materialen. “Het gaat hier om een monumentaal gebouw, uit 1970. Qua vormgeving aan de buitenkant moest het dus allemaal goed passen.” Wielders wijst erop dat de ronde vormen binnen in het gebouw te maken hebben met de technische eisen van het hoogspanningdeel. Elke scherpe hoek kan onderzoek verstoren.
In het proces was het aanvankelijk hard werken om iedere betrokkene ‘van zijn eigen eilandje af te krijgen.’ Na lang met elkaar bezig te zijn “ging opeens alles sneller dan wij eigenlijk nodig hadden” is de ervaring van Pelle Poiesz. “Dat hebben we net voldoende op orde kunnen houden.” Per september 2020 kon er volgens plan worden opgeleverd. Maar dat betekent geenszins dat de spanning is geweken. Tot en met het voorjaar van 2021 zijn de lab- en testruimtes in de hal onder leiding van Brenda Verhaaf (PM² bouwadviseurs), laboratoriumspecialist en projectmanager Verhuizen en Inrichten namens de TU, ingericht en ingehuisd en vond het testen van de testfaciliteiten plaats. Ook deze periode was een complex onderdeel van het project, alle leveringen, verhuizingen en testen zijn secuur op elkaar afgestemd om het gehele proces soepel te laten verlopen. Groot voordeel is dat deze wetenschappers beter dan wie ook om kunnen gaan met spanning. Het is hun vak.
