DC-netten: gevangen tussen
geschiedenis en regelgeving?

Nu energie-efficiëntie helemaal bovenaan de maatschappelijke ladder staat, loont het de moeite om te bekijken of DC een bijdrage kan leveren in de energietransitie. Er zijn namelijk enkele markante evoluties aan de gang die deze technologie steeds attractiever maken. Toch staan er nog enkele grote hinderpalen een volledige omschakeling in de weg. Als die er al komt.

 Waarom leven we in een AC-wereld?

De opbouw van ons huidig elektriciteitsnet is quasi volledig op AC geënt, en dat is eigenlijk al sinds het prille begin zo. We zullen u hier niet meenemen op de bitse strijd in de 19e eeuw tussen Edison en Westinghouse over de oorlog tussen AC en DC, want daar is ondertussen al genoeg over geschreven. Hollywood leidde er zelfs al een blockbuster aan, ‘The Current War’. Het is wel nuttig om te weten waarom AC op dat moment in de geschiedenis het pleit won. Het was op dat moment niet mogelijk om gelijkstroom op een efficiënte manier te transporteren over een grotere afstand. Wisselstroom kon wel makkelijk getransformeerd worden naar hogere waarden voor het transport en zo werden de transmissieverliezen beperkt. Voor het gebruik ter plaatse volstond het om de wisselstroom eenvoudig terug naar lagere waarden te transformeren. Uit de Wet van Joule distilleren we dat de verliezen bij transport kwadratisch toenemen. Dat betekent dus dat een lage stroom en hoge spanning de sleutel vormt tot een efficiënt transport van elektriciteit over langere afstanden.

De transfo bekleedt dus een centrale plaats in dit verhaal, want transformatoren voor gelijkspanning bestonden op dat moment nog niet. De enige oplossing was toen om de elektriciteitscentrales decentraal te plaatsen, onmiddellijk bij de verbruikers. En dat komt bekend voor.

Evolutie naar DC?

Bij het lezen van de laatste zin uit de vorige alinea is bij velen onder u wellicht al een lampje gaan branden. Decentrale productie, dicht bij de verbruikers ...: dat klinkt toch net hetzelfde als pakweg de zonnepaneleninstallaties op de daken van onze klanten, waarvan gebruikers de opbrengst zoveel mogelijk zelf willen inzetten.

Bovendien levert pv ook DC, die we via omvormers -met de nodige omzettingsverliezen- omturnen tot bruikbare AC. En die bruikbare AC, daar voeden we dan onze laptops, smartphones, televisie en ledverlichting. Maar die werken toch op DC? Het is duidelijk dat deze dubbele omvorming tot aanzienlijke verliezen leidt. Bovendien is voor de omvorming een pak elektronica nodig, en dat is tot op vandaag nog altijd een zwak punt in de robuustheid van het totale systeem.

Daarenboven zorgt de dubbele omvorming ook voor een grote complexiteit. Denk alleen al maar aan een leddriver en wat daar van componenten inzitten die er puur voor de omvorming - en dus niet voor de werking an sich - inzitten: gelijkrichting, filtering, powerfactor correctie ... dat zou dus een pak eenvoudiger kunnen.

Dat DC onmiskenbaar enkele belangrijke voordelen in huis heeft, is al langer duidelijk. Sommige van deze voordelen worden ook steeds groter. Denk bijvoorbeeld aan de stijgende grondstofprijzen. De koperprijs op de wereldmarkt verdubbelde bijvoorbeeld tussen maart 2020 en september 2021, een periode van slechts anderhalf jaar. Ook andere grondstoffen die we frequent terugvinden in elektrische componenten zoals tin en aluminium maken gelijkaardige evoluties door. Dat heeft u ongetwijfeld ook gemerkt aan de prijzen die u betaalt aan uw leveranciers. Een eenvoudig opgebouwde installatie met minder componenten en bekabeling zou hiervoor dus zeker een positief gevolg hebben op de totale prijs.

Beveiliging

Wie dit leest, vraagt zich ondertussen misschien af waarom we niet overschakelen naar een DC-net. Er zijn weliswaar stappen in die richting waarbij bijvoorbeeld bedrijven op een DC-net geplaatst worden, maar op grootschalige basis is daar momenteel nog geen sprake van.

De grote oorzaak is naast de historisch gegroeide situatie ook de veiligheid van de gebruiker. DC moet voorzien worden van actieve toestelbeveiliging. In wisselspanningsnetten verloopt het spanningsverloop sinusvormig, waarbij het verloop met de bekende frequentie van 50 Hz afwisselend positief en negatief wordt. In wisselspanningssystemen is het daarom geen probleem om mechanisch te schakelen. Eventuele vlambogen die zouden optreden, worden dankzij de frequente doorgang door het nulpunt letterlijk in de kiem gesmoord. Deze benadering is bij gelijkspanning uiteraard niet mogelijk, daarom wordt er gewerkt met actieve beveiliging. De smeltzekeringen en automaten maken in deze opstelling plaats voor voortdurende monitoring van de meetwaarden via elektronische weg. Bij een kortsluiting zal de stijgende stroom onmiddellijk opgemerkt worden door de actieve beveiliging, die meteen de installatie preventief afschakelt. Bij AC is het ‘wachten’ tot de smeltzekeringen of automaten doorslaan, vandaar dat we hier eerder over een passieve bescherming spreken.

Gebrek aan normering is hinderpaal

De mogelijkheden om gelijkspanning af te schakelen bestaan dus wel degelijk en dit vormt technisch geen enkel probleem. Toch is er nog werk aan de winkel: de normering voor gelijkspanning ontbreekt nog grotendeels, wat juridisch gezien zeer belangrijk is. Voorschrijvers kiezen voor wat ze kennen en waarvan ze zeker zijn dat verzekeraars niet moeilijk zullen doen als er problemen rijzen. Het is uiteraard niet zo dat gelijkspanning doodgezwegen wordt, maar als DC echt los wil komen van de onderzoeksprojecten, zal er toch een inhaalslag moeten gemaakt worden op dat vlak. Bovendien zijn er naast de gelijkstroomtoestellen die we gebruiken, ook nog veel huishoudtoestellen die wél op AC werken, zoals wasmachines en stofzuigers. Het plaatsen van een dubbele installatie lijkt wat te veel van het goede te zijn, maar dan moet voor deze toestellen wel een omvorming voorzien worden.

KABELLENGTE STRAATVERLICHTING
Een markant voordeel van DC ten opzichte van AC is de mogelijkheid om met dunnere kabels te werken in sommige applicaties. Denk bijvoorbeeld aan onze straatverlichting. Elk nutsbedrijf zal de kabels uiteraard maximaal willen benutten en zoveel mogelijk lampen aansluiten op één kabel. Bij wisselspanning is de kortsluitstroom allesbepalend, dit omwille van de veiligheid. Om de zekeringen te laten smelten is een zekere kortsluitstroom nodig. Dat vereist een kabel die deze stroom kan voeren. Bij AC treedt er hier een beperking op in de vorm van het inductief gedrag van de kabel. Door deze inductieve werking wordt de kortsluitstroomstroom beperkt. Als met andere woorden de kabel te lang wordt, zal deze vermindering ertoe leiden dat de minimale kortsluitstroom niet meer gehaald kan worden. De beveiliging valt dan de facto weg. Omdat DC-netten werken op basis van actieve beveiliging, zal het net hier wel uitgeschakeld worden bij een fout. Bovendien is de aanspreeksnelheid van deze vermogenselektronica ook een pak sneller dan bij zekeringen.
In de praktijk betekent dit ook dat de kabelsectie bij DC kleiner kan gekozen worden, of dat meer verlichtingspunten op een kabel met dezelfde sectie kunnen aangesloten worden. Vooral dat eerste voordeel zal bij grote projecten als muziek in de oren klinken. Een elektriciteitskabel heeft een bepaalde maximale spanning. Bij de sinusvormige wisselspanning is dat de amplitude van het verloop. Om de effectieve en bruikbare waarde van de wisselspanning te weten moet deze gedeeld worden door √2. Er is dus tot op zekere hoogte een onbenutte capaciteit. Bij gelijkspanning is ‘what you see is what you get’ van toepassing, want hier is de Vmax ook effectief de maximumwaarde. Als we hier via de wet van Ohm eenvoudig het vermogen willen berekenen, dan wordt P=U.I bij gelijkspanning een √2 keer groter, wat ongeveer 1,4 keer meer is bij gelijke draadsectie.