Klimaatbestendige elektriciteitstransmissie, -distributienetwerken en -diensten

Instortende stroomkabels veroorzaken tijdelijk stroomverlies voor gebruikers en brengen extra reparatiekosten voor stroomleveranciers met zich mee. Stormen kunnen elektriciteitsleidingen beschadigen en daardoor stroomuitval en black-outs veroorzaken, door directe impact of indirecte impact (bijvoorbeeld vallende bomen). Bovendien kunnen stormen de snelheid van bliksemflitsen verhogen, een verdere oorzaak van stroomuitval door schade aan hoogspanningsleidingen. Boomval, veroorzaakt door verschillende factoren, waaronder sterke wind, waterophoping in de grond (wat resulteert in gemakkelijker ontworteling), sneeuwaccumulatie of verlichting, kan hetzelfde resultaat hebben. Desalniettemin hangt de mate waarin neerslag en windstormen boomval veroorzaken af van de leeftijd en omtrek van de bomen in kwestie. De accumulatie en daaropvolgende toename van sneeuw op transmissie- en distributielijnen, met name in aanwezigheid van een hoge luchtvochtigheid en temperaturen rond 0 °C (de zogenaamde “natte sneeuw”), kan leiden tot breuk van elektriciteitsleidingen en het instorten van hoogspanningstransmissietorens.

Ondergrondse bekabeling maakt het mogelijk om elektriciteitstransmissie- en distributiesystemen aan te passen aan klimaatverandering, omdat het een belangrijk deel van de infrastructuur beschermt tegen de bovengenoemde gevolgen van klimaatverandering. De installatie van ondergrondse bekabeling omvat drie overheersende technieken: het plaatsen van bekabeling in met beton versterkte troggen, het plaatsen van de kabels in ondergrondse tunnels of het direct begraven van de kabels.

Door bekabeling ondergronds te plaatsen, kunnen de meeste ongunstige weersomstandigheden waaraan traditionele transmissie-infrastructuren bovengronds worden blootgesteld, worden vermeden. Dit heeft grotendeels betrekking op neerslag en windstormen. Ondergrondse bekabeling kan de behoefte aan verdere en frequentere investeringen in het onderhoud en de reparatie van transmissie-infrastructuur verlichten. De verwachte voordelen zijn onder meer een veiligere energievoorziening met minder weergerelateerde stroomuitval, terwijl op de lange termijn ook kostenbesparingen worden gerealiseerd door minder onderhoud en reparaties.

Stormen zijn niet het enige klimaatgerelateerde gevaar voor elektriciteitsnetwerken. Zeer hoge omgevingstemperaturen, zoals die tijdens hittegolven, bedreigen transmissie en distributie, omdat ze ervoor kunnen zorgen dat lijnen verzakken; hun beperkte ontruiming van het land kan gevaarlijk zijn voor het grote publiek. Verzakking kan ook leiden tot contact met bomen en andere structuren, wat kan leiden tot elektrocutie of branden. De meeste Europese landen hebben regelgeving om een minimale afstand tussen hoogspanningslijnen en de grond of structuren te handhaven, om ervoor te zorgen dat mogelijke gevallen van elektrocutie of branden worden vermeden. Hogere omgevingstemperaturen vereisen dat de elektrische stroom die door bovengrondse hoogspanningsleidingen gaat, wordt verminderd om oververhitting van apparatuur te voorkomen. Warmere elektriciteitsleidingen kunnen ook leiden tot verminderde efficiëntie (afwaardering). Deze effecten verhogen het risico op ongevallen, stroomonderbrekingen en cascadering van netwerkstoringen, met negatieve gevolgen voor de winstgevendheid van de betrokken nutsbedrijven en voor het welzijn van de getroffen bevolking. Deze effecten worden nog verergerd door de toenemende vraag naar elektriciteit, ook als gevolg van het toegenomen gebruik van airconditioning. Aanpassingsopties om deze effecten aan te pakken zijn onder meer:

• Het installeren van hogere machtslijnenpolen,
• Het installeren van geleiders met hetere bedrijfsgrenzen of het gebruik van geleiders met een lage temperatuur.
• Het verhogen van de minimale ontwerptemperatuur van nieuwe bovengrondse lijnen is een bijzonder kosteneffectieve optie, waarvan het bereiken de ontwerphoogte van houten palen doorgaans met 0,5 meter zou verhogen.
• Ontwikkelen van een software tool om overhead line ratings te optimaliseren.

Met uitzondering van het optimaliseren van software, omvatten alle opties in deze klasse het installeren of wijzigen van infrastructuren op de grond, in stedelijke, industriële, landelijke en natuurlijke gebieden. Interactie tussen belanghebbenden op lokaal niveau (met grondeigenaren, lokale autoriteiten en het grote publiek) langs de routes van de geïnstalleerde/aangepaste netten is dus van cruciaal belang om sociale aanvaardbaarheid en de tijdige en kosteneffectieve uitrol van de infrastructuur te waarborgen. Voor ondergrondse kabels kan coördinatie met andere bekabelingsentiteiten de economische kosten verlagen en de overlast voor lokale gemeenschappen minimaliseren door de duur van graafactiviteiten tot het absolute minimum te beperken.

Ondergrondse bekabeling is afhankelijk van de beschikbaarheid van de juiste technologie en knowhow op het gebied van installatie, monitoring en beheer. Samenwerking met andere ondergrondse bekabelingsentiteiten, zoals telecommunicatiebedrijven, helpt de verstoring van de bevolking tot een minimum te beperken door middel van graafactiviteiten, en het delen van de kosten van graafwerkzaamheden vermindert de kosten die door elke entiteit worden gedragen. Hoewel ondergrondse bekabeling kan worden blootgesteld aan nieuwe klimaatrisico’s, met name door overstromingen en bodembewegingen in verband met aardverschuivingen, blijven deze risico’s tot dusver hypothetisch. Opgravingen als gevolg van andere bouw- of onderhoudswerkzaamheden vormen een belangrijk risico op schade aan geïnstalleerde ondergrondse kabels. Dit risico kan worden verminderd door digitalisering en GIS-technologie toe te passen op ondergrondse kabels, om graafmachines te informeren over de locatie van ondergrondse kabels.

Een groot verschil tussen ondergrondse en bovengrondse kabels is de manier waarop elektrische isolatie wordt geleverd. Bovengrondse kabels worden geïsoleerd door de lucht die hen omringt, de goedkoopste en eenvoudigste isolatieoplossing die beschikbaar is. Ondergrondse kabels moeten worden geïsoleerd om stroomverlies en het risico van elektrocutie door direct contact met de bodem te voorkomen. De elektrische weerstand die door isolatie wordt gegenereerd, genereert warmte en dus transmissieverliezen. Dit vraagt om grotere en/of meerdere kabels om de verliezen te compenseren en een koelsysteem (gedwongen ventilatie, water of gassen) om warmte af te voeren. Ondergrondse kabels moeten in loopgraven worden begraven, worden beschermd tegen onopzettelijke schade en gemakkelijk toegankelijk zijn wanneer onderhoud nodig is. Over het algemeen resulteert dit in een groter gebruik van grond door ondergrondse kabels in vergelijking met bovengrondse kabels tijdens de installatie, hoewel het landgebruik en de visuele effecten die ze genereren, na begraven te zijn, aanzienlijk lager zijn.

Het onderhoud van ondergrondse kabels is veel complexer en duurder dan dat van bovengrondse kabels: “indien zich een storing voordoet op een ondergrondse kabel van 400 kV, is deze gemiddeld 25 keer langer buiten gebruik dan bovengrondse lijnen van 400 kV. Dit is voornamelijk te wijten aan de lange tijd die nodig is om technisch betrokken reparaties te lokaliseren, uit te graven en uit te voeren. Deze onderhouds- en reparatiewerkzaamheden kosten ook aanzienlijk meer” (National Grid, 2015).

Ten slotte zijn er technische beperkingen voor landgebruik in de nabijheid van kabels die specifiek zijn voor ondergrondse lijnen. Naast de noodzaak om wat grond te reserveren om de toegang tot de lijnen voor onderhoudsdoeleinden veilig te stellen, zijn er ook beperkingen op het planten van bomen en heggen over de kabels of binnen 3 m van de kabelsleuf om aantasting door vegetatie te voorkomen. Boomwortels kunnen de kabelrand doordringen, wat op zijn beurt de kabelclassificatie kan beïnvloeden of zelfs fysieke schade aan de kabel kan veroorzaken. Evenzo wordt voor bovengrondse lijnen de groei van bomen ontmoedigd en gecontroleerd onder de bovengrondse geleiders of binnen afstanden waar bomen op de lijnen zouden kunnen vallen. Er zullen ook hoogtebeperkingen gelden voor machines of met name hoge voertuigen, zoals landbouwmachines, in de buurt van bovenleidingen om veiligheidsredenen. In stedelijke gebieden is het landoppervlak dat wordt gebruikt voor begraven kabels veel groter dan het oppervlak dat nodig is voor een gelijkwaardige bovengrondse lijn. Kabels zijn van oudsher onder wegen gerouteerd om te voorkomen dat land wordt afgetrokken van alternatief gebruik; Verstoring van het verkeer tijdens storingsonderzoek en reparaties kan echter aanzienlijk zijn. Wanneer kabels worden geïnstalleerd door directe begrafenis in plattelandsgebieden, zijn er beperkingen op het gebruik van diep cultiverende landbouwapparatuur om het risico van schade te voorkomen. Het begraven van hoogspanningskabels is ook ingewikkelder dan het leggen van gas- en waterleidingen. Daarnaast moeten er om de 500-1.000 m ondergrondse verbindingsbaaien worden gebouwd, die met beton zijn bekleed en breder zijn dan de loopgraven zelf.

Voor de klimaatbestendigheid van bovengrondse kabels is een gedetailleerde kennis van toekomstige lokale klimaatomstandigheden bij hoge resolutie van cruciaal belang om de nodige interventies te plannen. Een duidelijk voordeel van het verkrijgen van de meest nauwkeurige scenario's voor bovengrondse kabels is gerelateerd aan het begrijpen in hoeverre ze een geldige optie kunnen blijven. Als extreme gebeurtenissen naar verwachting aanzienlijke gevolgen zullen hebben voor de gebieden waar bovengrondse kabelnetwerken zijn geïnstalleerd of gepland, kan uiteindelijk een overstap naar ondergrondse bekabeling in overweging worden genomen. Zelfs in minder extreme omstandigheden kan het identificeren van de routes die in de toekomst het minst zullen worden blootgesteld aan de bovengenoemde bedreigingen voor bovengrondse bekabeling helpen bij het plannen van toekomstige netwerkontwikkeling.

Naast directe toekomstige klimaateffecten, voor zowel ondergrondse als bovengrondse netwerken, is het belangrijk om inzicht te krijgen in de toekomstige marktomstandigheden waarin transmissiesysteembeheerders (TSB's) en distributiesysteembeheerders (DSB's) zullen opereren.

Over het algemeen kost de exploitatie van ondergrondse kabels ongeveer hetzelfde als die van bovengrondse kabels (National Grid, 2015). De kapitaalkosten in verband met de aanleg van ondergrondse lijnen zijn echter veel hoger dan die voor bovengrondse kabels. Alonso en Greenwell (2013) rapporteren 4 tot 14 keer hogere bouwkosten voor ondergrondse kabels op basis van een studie uit 2011 van de Public Service Commission van Wisconsin. De werkelijke kosten hangen echter af van de geologische en geografische kenmerken van de kabelroute, de installatiemethode (tunnelinstallatie kost meer dan directe begraving), de transmissiecapaciteit van de lijn en de gekozen opties voor het isoleren en koelen van ondergrondse kabels.

Het verhogen van de poolhoogte is relatief goedkoop: een casestudy over bovengrondse lijnen in het VK meldt dat de kosten voor het aanschaffen van houten bovengrondse palen van 0,5 meter hoger afhankelijk zijn van de hoogte van de oorspronkelijke paal, maar dat ze zo weinig kunnen zijn als ongeveer £ 10 (€ 11) per paal.

Voor bovengrondse kabels regelen specifieke nationale normen in elk EU-land de maximale hoogte van de palen en de minimale afstand tot de grond.

De aanleg van bovengrondse of ondergrondse elektriciteitsleidingen is ondergeschikt aan nationale vergunningsvoorschriften, net als elke andere belangrijke infrastructuur. Er zijn een aantal specifieke milieunadelen waarmee rekening moet worden gehouden in het vergunningsproces. In plattelandsgebieden moeten verstoringen van flora en fauna, landgebruik en archeologische vindplaatsen worden beoordeeld. In dit opzicht zijn bovengrondse leidingen doorgaans minder storend dan ondergrondse kabels en veroorzaken ze minder storingen. In specifieke gevallen kunnen ondergrondse kabels echter een aanzienlijk positief effect hebben op sommige bedreigde soorten; zij kunnen bijvoorbeeld de sterfte als gevolg van aanvaringen van hoogspanningslijnen bij de populaties van migrerende of ingezeten vogels verminderen (Bernardino et al., 2018). In zowel stedelijke als landelijke omgevingen is landverstoring groter bij het leggen van ondergrondse kabels dan bij het oprichten van bovengrondse lijntorens. Het volume grond dat wordt uitgegraven voor een ondergrondse kabel, waarbij twee kabels per fase worden geïnstalleerd, is ongeveer 14 keer groter dan voor een gelijkwaardige bovengrondse lijnroute. Vegetatie moet langs en aan de zijkant van loopgraven worden ontruimd om constructie en bijbehorende toegang voor voertuigen mogelijk te maken.

De uitvoeringstijd varieert afhankelijk van de plaatselijke geografische en geologische omstandigheden en de gebruikte installatiemethode. Het is echter aanzienlijk langer voor ondergrondse kabels in vergelijking met bovengrondse kabels.

Kabels, zowel bovengronds als ondergronds, zijn meestal ontworpen om 60 jaar in bedrijf te zijn. Een Britse casestudy meldt dat de verwachte levensduur van houten palen die bovengrondse lijnen ondersteunen vergelijkbaar is: 40-60 jaar.