Ons elektriciteitsnet werkt sinds jaar en dag op basis van 50 of 60 Hz wisselspanning (AC). Historisch gezien was dit de juiste keuze, maar naarmate we meer elektriciteit gebruiken, lokaal opwekken en bufferen, stellen onderzoekers dit paradigma meer en meer in vraag. Deze expert talk, geschreven door Giel Van den Broeck, Johan Driesen en Kris Baert (EnergyVille / KU Leuven), licht toe wat de uitdagingen zijn en welke mogelijkheden deze technologie te bieden heeft in ons energiesysteem.
Waarom gelijkspanning?
Het elektriciteitsnet zoals we het vandaag kennen, vindt zijn oorsprong einde 19de eeuw, gepionierd door Thomas Edison en Nikola Tesla. Thomas Edison is begonnen op Pearl Street in hartje Manhattan, New York, met het eerste elektriciteitsnet aan te leggen om zijn felbegeerde gloeilampen aan de man te brengen [1]. De technologie die zijn bedrijf daarvoor aanwendde, was gelijkspanning. Gelijkspanning betekent dat de spanning quasi constant is in de tijd, zonder noemenswaardige fluctuaties. Vandaag wordt ons elektriciteitsnet echter gedomineerd door wisselspanning, ontwikkeld door Nikola Tesla. De spanning neemt periodiek toe en af aan 50 Hz. Honderdmaal per seconde gaan de spanning en stroom door nul.
Alhoewel wisselspanning op het eerste zicht complexer lijkt dan gelijkspanning, bood en biedt zij enkele fundamentele voordelen. Het belangrijkste voordeel is dat met transformatoren de wisselspanning kan verhoogd en verlaagd worden. Een hogere spanning betekent dat minder bekabeling nodig is om dezelfde hoeveelheid vermogen van A naar B over te brengen en dat de verliezen bij de overbrenging lager zijn. Elektriciteit over tientallen kilometer economisch overbrengen, kon enkel aan een hogere spanning, wat wisselspanning tot de aangewezen technologiekeuze maakte. Een tegenhanger van de transformator op gelijkspanning bestond toen niet, waardoor men slechts 1 mijl kon overbruggen en meerdere kleine elektriciteitscentrales verspreid moest installeren. Het installeren van vele kleine generatoren, verspreid in het elektriciteitsnet, is net hetgeen waar we meer en meer naartoe evolueren. Destijds waren dit generatoren aangedreven door stoommachines, vandaag zijn dit onder meer zonnepanelen en windturbines.
In het begin diende elektriciteit om gloeilampen en motoren te voeden. Een gering aanbod vergeleken met de waaier aan toestellen vandaag en de nabije toekomst: elektronica (televisietoestellen, computers, etc.), huishoudtoestellen, verlichting, warmtepompen, elektrische voertuigen en batterijopslag. Kenmerkend aan al onze toestellen is dat de meerderheid intern gelijkspanning gebruiken, vertrekkend van de wisselspanning waarmee ze gekoppeld worden aan het elektriciteitsnet. Denk aan de adapter om smartphones en laptops op te laden. Denk aan de elektronica in LED-verlichting armaturen. Denk aan pompen en compressoren met een frequentiesturing om aan variabele toerentallen te kunnen werken. Al deze toepassingen maken intern gebruik van gelijkspanning en meestal is de eerste stap een omzetting van wisselspanning naar gelijkspanning. Wat er in adapters gebeurt, noemen we gelijkrichten. Het woord adapter draagt de betekenis in feite in zich: de netspanning (AC) wordt aangepast aan het toestel (DC).
Ook bij zonnepanelen, windturbines, maar ook bij batterijopslag en brandstofcellen, vinden we adapters terug, beter bekend als inverters of power converters. Hun functie is het omzetten van de opgewekte gelijkspanning naar wisselspanning. Zelfs in windturbines wordt de opgewekte elektriciteit eerst naar gelijkspanning omgezet, omdat de windturbine met een variabel toerentallen moet kunnen werken wat tot een hoger rendement leidt.
Alle adapters en convertoren zijn er gekomen door de ontwikkeling van vermogenelektronica, elektronica die elektriciteit van een vorm omzet in een andere met halfgeleidertechnologie, geïntroduceerd in de jaren ’50. Vermogenelektronica vinden we reeds sinds jaar en dag terug in adapters (“switch-mode power supplies”), maar sinds de laatste 20 jaar is het uitgegroeid tot een massaproduct in de elektriciteitsproductie en -gebruik. Wereldwijd beschikten we in 2018 over 480 GW geïnstalleerd vermogen aan zonnepanelen en 564 GW geïnstalleerd vermogen aan windturbines [2]. In totaal is dit ongeveer 75 het piekvermogen aan elektriciteitsafname in België. Vermits alle zonnepanelen met invertoren aan het net zijn gekoppeld, betekenen deze cijfers dat er ook 480 GW aan invertoren is geïnstalleerd. Ook de opgewekte elektriciteit uit wind verloopt (gedeeltelijk) door een converter. In ons elektriciteitssysteem bevinden zich dus een groot aantal blokken die wisselspanning omzetten in gelijkspanning en omgekeerd. Dit was verre van aan de orde destijds eind 19e eeuw.
“Gelijkspanningsnetten zijn meer compatibel met de belastingen en bronnen die we vandaag gebruiken. Minder componenten, lagere kosten, verhoogde betrouwbaarheid en minder energieverliezen.”
Waarom gelijkspanning elektriciteitsnetten aan een comeback bezig zijn, ligt voor de hand. Gelijkspanningsnetten zijn meer compatibel met de belastingen en bronnen die we vandaag gebruiken. Verhoogde compatibiliteit betekent dat voornoemde adapters en power converters kunnen vereenvoudigd worden of zelfs helemaal weggelaten kunnen worden. Dit compatibiliteitsvoordeel betekent: minder componenten, lagere kosten, verhoogde betrouwbaarheid en minder energieverliezen. Voordeel nummer twee is dat meer vermogen over dezelfde bekabeling kan worden overgebracht. Lees: meer vermogen met minder (duur) geleidermateriaal (koper).
Gelijkspanning in een waaier van toepassingen
Een belangrijke rol voor gelijkspanning is weggelegd in datacenters. Datacenters slaan al onze gegevens op, en verbruiken daarbij grote hoeveelheden elektriciteit. Het elektrisch vermogen van een datacenter bedraagt typisch meer dan 1 MW. Het grootste datacenter van Google in Finland verbruikt 40 MW [3]. In de Verenigde Staten betekenen datacentra al 2% van het totale elektriciteitsverbruik [4]. Omwille van de vereiste betrouwbaarheid zijn datacenters uitgerust met noodvoeding onder de vorm van batterijopslag, functionerend op gelijkspanning. Verder werken ook alle servers racks (grote computers die de gegevens opslaan) op gelijkspanning. Door de elektriciteitsinfrastructuur in datacenters om te vormen naar gelijkspanning spaart men adapters uit, wat leidt tot 20% minder energieverliezen, neemt de installatie een derde minder ruimte in beslag en daalt de tijd dat de installatie niet gebruikt kan worden onder meer door verminderd onderhoud [5]. Minder energieverliezen betekent ook dat het koelsysteem minder moet werken. Kortom: DC leidt tot een substantiële kostenbesparing.
In de industrie is vermogenelektronica reeds jaren in opmars. Vandaag is naar schatting reeds 30% van het totaal vermogen aan elektrische aandrijflijnen met een frequentiesturing uitgerust om energie te besparen of om het productieproces flexibeler te maken [6]. Intern werkt elke frequentiesturing op DC. Reeds vandaag worden al meerdere frequentiesturingen op een gemeenschappelijke gelijkspanning aangesloten. Naar de toekomst toe, biedt dergelijk systeem de mogelijkheid om een batterij toe te voegen om de bedrijfszekerheid te verhogen, waardoor productielijnen minder gevoelig worden aan storingen op het net. In landen waar de netkwaliteit ondermaats is, is een dergelijk systeem des te lucratiever. Verder kunnen meerdere systemen, die vandaag aan DC-zijde los staan van elkaar, in de toekomst met elkaar verbonden worden, waardoor de vereiste hoeveelheid batterijopslag daalt. Dergelijk industrieel DC-net kan dan ook verder worden uitgebreid met lokale DC-energieopwekking zoals zonnepanelen, brandstofcellen en windturbines. Afhankelijk van het gekozen spanningsniveau, daalt ook de nodige hoeveelheid bekabeling. Opnieuw: DC leidt tot kostenbesparing.
In commerciële en tertiaire gebouwen, waaronder ook het EnergyVille gebouw, zijn verschillende DC-verbruikers en bronnen aanwezig. Bijvoorbeeld in het EnergyVille gebouw beschikken we over lokale productie (zonnepanelen), laadinfrastructuur voor elektrische voertuigen in de parkeergarage, LED-verlichting, een server room, liften, ventilatie, koeling- en verwarmingssystemen op basis van warmtepompen. Alle toestellen zijn momenteel via een power converter met de wisselspanning elektrische installatie verbonden. Een deel van de omzettingen van DC naar AC kunnen vermeden worden. Zo zouden bijvoorbeeld elektrische voertuigen rechtstreeks via DC geladen kunnen worden vanuit de zonnepanelen. Dit is wat we in praktijk toepassen in het EnergyVille LVDC test netwerk, om te demonstreren dat LVDC in praktijk wel degelijk haalbaar is. Op termijn voorzien we ook tussen de gebouwen op de campus om met gelijkspanning energie te kunnen uitwisselen. De motivatie daarachter is wederom: DC leidt tot kostenbesparing, in dit geval geraamd op 30% op de totale kost van de installatie.
In mobiele toepassingen is DC niet weg te denken en zijn er kostenbesparingen mogelijk. Er zijn prototype schepen waarmee men heeft aangetoond dat 60% brandstof kan worden bespaard [7]. Men stelt de dieselgeneratoren continu in op een efficiënt werkingspunt, voorziet opslag aan boord en drijft de propellers aan met elektromotoren die de variabele snelheid efficiënt leveren. Gelijkspanning DC is de facilitator om dit concept mogelijk te maken met zo weinig mogelijk vermogenelektronische blokken. Daardoor worden het gewicht en de conversieverliezen tot een minimum herleid.
Last but not least worden DC solar home kits massaal uitgerold in regio’s waar geen of gebrekkige toegang tot het elektriciteitsnet bestaat. Dit betreft 1.1 miljard mensen op onze planeet [8]. Om dit aantal te doen dalen bestaan kleine DC-systemen van enkele 100 W vermogen, werkend op 48 V, gevoed door een zonnepaneel, gebufferd met een batterij. Dit laat de gebruikers toe om een LED-verlichting, een ventilator, een smartphone en huishoudapparatuur te voeden. Omdat al deze toestellen op DC werken, overweegt men zelfs niet om wisselspanning aan te wenden. Op die manier kan DC bijdragen aan het verbeteren van de levenskwaliteit van een enorme groep mensen.
Uitdagingen
Om DC elektrische installaties mogelijk te maken, resten er echter nog belangrijke technische uitdagingen die EnergyVille samen met verschillende partners nationaal en internationaal aanpakt.
Een eerste technisch issue is de spanningsstabiliteit waarborgen, zodat toestellen niet onnodig afschakelen of beschadigd raken door overspanning of overstroom. In een systeem met meerdere vermogenelektronische omvormers, waarbinnen meerdere regelaars met elkaar interageren, is dat geen sinecure. Bovendien is het nominale spanningsniveau nog niet internationaal afgesproken. Er is sprake van onder meer 350, 380 maar ook 750 V, allen beneden de laagspanningsgrens van 1500 V.
Een tweede technisch issue is de veiligheid, in de eerste plaats voor personen en in de tweede voor de toestellen. Een belangrijk verschil in een DC- t.o.v. een AC-installatie, is het gebrek aan een nuldoorgang in spanning en stroom, wat het mechanisch onderbreken van een stroom bemoeilijkt o.w.v. de vlamboog die ontstaat tussen de contacten. Als oplossing worden automaten voorgesteld die een beroep doen op halfgeleidertechnologie om het tijdig onderbreken van de stroom te faciliteren. In power converters heeft halfgeleidertechnologie al bewezen in staat te zijn om hoogfrequent DC-stroom te kunnen onderbreken en om te leiden. Een mechanische onderbreking blijft wel wettelijk vereist. Een tweede aandachtspunt is dat een DC-installatie gedomineerd wordt door power converters die de stroom actief kunnen beperken, waardoor de stroom in geval van een kortsluiting beperkt blijft. Een beperkte stroom laat toe om de beveiligingsautomaten lager te dimensioneren, maar maakt het ook moeilijker om een kortsluiting en een tijdelijke overstroom in normale werking van elkaar te onderscheiden.
Naast technische issues, zijn er ook uitdagingen op het vlak van de regelgeving. In België heeft het Algemeen Reglement op de Elektrische Installaties (AREI) kracht van wet. In het kader van een haalbaarheidsstudie hebben we geanalyseerd of het AREI voor DC toereikend is. Het AREI specifieert de veiligheidscurve voor DC en beschrijft welke veiligheidsmaatregelen getroffen moeten worden, of het nu AC of DC betreft. Op het vlak van de vereiste DC-differentieelbeveiliging zijn er nog onduidelijkheden die vroeg of laat moeten aangepakt worden, omdat zij ook bestaan voor elektrische voertuigen en batterijopslagsystemen. In samenwerking met de standardisatiecommissies en de sectorfederaties denkt EnergyVille actief mee aan oplossingen.
Key takeaways
- Elektriciteitsverdeling op basis van gelijkspanning (LVDC) is terug van weggeweest door de opkomst van vermogenelektronica
- LVDC biedt een verhoogde compatibiliteit, wat zich vertaalt in lagere kosten (investeringen en werking)
- LVDC heeft potentieel in een waaier van toepassingen: datacenters, industrie, elektromobiliteit, commerciële gebouwen en ook om elektriciteit te voorzien in ontwikkelingslanden
Referenties
[1] J. Joness, Empires of Light: Edison, Tesla, Westinghouse, and the Race to Electrify the World. 2003.
[2] International Renewable Energy Agency, “IRENA Statistics,” 2018. .
[3] Bergmann, “Data Center Investments in Finland,” 2019.
[4] A. Shehabi et al., “United States Data Center Energy Usage Report,” 2016.
[5] G. AlLee and W. Tschudi, “Edison Redux: 380 Vdc Brings Reliability and Efficiency to Sustainable Data Centers,” IEEE Power Energy Mag., vol. 10, no. 6, pp. 50–59, Nov. 2012.
[6] M. Doppelbauer, “Energy Efficiency And Variable Speed Drives.” p. 27, 2017.
[7] ABB, “ABB technology helps advanced cable-laying vessel achieve up to 60 percent in fuel savings.” [Online]. Available: https://new.abb.com/marine/articles-and-highlights/abb-technology-helps….
[8] A. Jhunjhunwala, “The people’s grid,” IEEE Spectr., vol. 54, no. 2, pp. 44–50, Feb. 2017.
