Gelijkspanningsnet kan, mits aangepaste veiligheid
DC heeft enkele markante voordelen ten opzichte van AC, zoals beperkte verliezen en minder kabelnood. De opzet van een dergelijk net moet echter omzichtig gebeuren, want de veiligheid vergt een compleet andere benadering. Bovendien loopt de regelgeving nog een stuk achterop.
De evolutie richting DC is duidelijk. In elektrische voertuigen zorgt de vermogenselektronica voor de koppeling tussen de DC-batterij en het elektriciteitsnet. In steeds meer woningen en gebouwen wordt mazout en aardgas vervangen door een warmtepomp, waarin vermogenselektronica via een DC-tussenkring zorgt voor de variabele aandrijving van de waterpomp en compressor. Deze DC-tussenkring vinden we ook telkens terug in wasmachines, drogers, stofzuigers en noem maar op, waar de netfrequentie wordt omgezet naar een variabele frequentie voor de aandrijving van elektromotors of naar een magnetisch veld in inductiekookplaten.
Vermogenselektronica is de driver
Gelijkspanningsnetten zijn dus onlosmakelijk verbonden met de opkomst van vermogenselektronica in de hardware van onze elektriciteitsproductie, -opslag en -consumptie. Het enorme controlepotentieel van de vermogenselektronica is daarbij een faciliterende factor, want dit laat zelfregulering toe. Waarom dat nodig is? Omdat de elektriciteitsproductie vandaag steeds meer decentraal verloopt én een zeer fluctuerend karakter heeft. Regulering is daarom absoluut nodig. Het werken met zelfregulerende netten op gelijkspanning vereist omwille van de veiligheid ook een actieve beveiliging. De smeltzekering of automaat bij de AC netten is niet voldoende snel en moet plaatsmaken voor elektronische beveiliging die voortdurend de stroomsterkte meet. Bij een kortsluiting bij een verbruiker of in een kabel stijgt de stroom sterk, net als bij AC. Die stijging wordt bij DC opgemerkt door de actieve beveiliging en nog voordat er een enorme stroom gaat lopen, wordt de spanning al afgeschakeld.
Historische keuzes op basis van eenvoud
Indertijd was de keuze voor wisselspanning de juiste keuze. Het net was nog niet zo uitgebreid als nu en het stond voornamelijk in voor de openbare nutsvoorzieningen (straatverlichting) en industriële toepassingen. Sinds de jaren 70 van de vorige eeuw werden er echter tientallen applicaties ontwikkeld met de halfgeleidertechnologie als basis. Die technologie werkt op gelijkstroom. Indertijd werd er geopteerd voor AC, omdat de wisselspanning toen makkelijker getransporteerd kon worden dan DC. Dat had vooral met de eenvoud van het net te maken. De productie werd verzorgd door grote fossiele, waterkracht en nucleaire centrales met synchrone generators van honderden MW, terwijl aan de verbruikerskant het leeuwendeel van de consumptie bestond uit inductiemotoren en eenvoudige weerstanden zoals gloeilampen en strijkijzers. Door evoluties in de halfgeleidertechnologie is dat nu echter aan het kantelen. Ook voor de verlichting kan DC een innovatie betekenen. Denk bijvoorbeeld aan ledverlichting zonder de warm aanlopende voorschakelapparatuur.
Energietransitie
De energieketen ondergaat echter significante veranderingen die worden gedreven door twee belangrijke pijlers. Een eerste is de energietransitie, gedreven door het verdwijnen van fossiele brandstoffen. Dat zorgt voor de komst van zonnepanelen en windmolens. Een tweede driver is de ongekende groei van vermogenselektronica. De halfgeleidertechnologie evolueerde zo hard dat er in sneltempo applicaties ontstonden die vroeger onmogelijk waren, denk bijvoorbeeld aan ledverlichting.
Nieuwe situatie, nieuwe regels
De traditionele top-downstructuur geënt op grootschalige productie in enkele centrales wordt in het huidige net afgewisseld met een gedistribueerde structuur waarbij hernieuwbare opwekking zoals windturbines en WKK’s worden aangesloten op het middenspanningsnet en residentiële pv's op het laagspanningsnet. Hier is geen sprake meer van synchrone generators op 50 Hz, want zonnepanelen zijn een DC-stroombron en windmolens werken met een generator die is aangesloten op een DC-tussenkring voordat de conversie naar het elektriciteitsnet plaatsvindt. Tegelijkertijd brengen deze bronnen nieuwe uitdagingen met zich mee. Het paren van de intermitterende productie van deze bronnen met de toenemende elektriciteitsvraag vergt een andere aanpak en nieuwe oplossingen.
Net onder druk
In contrast met de uitgebreide aandacht voor de transitie in de energieopwekking en nieuwe verbruikers zoals elektrische auto’s en warmtepompen, wordt er minder aandacht besteed aan de rol van het elektriciteitsnet in deze transitie. Het is immers het elektriciteitsnet dat de wisselende productie van zon- en windenergie moet kunnen transporteren naar steeds meer verschillende verbruikers. Het elektriciteitsnet dient zich tegelijkertijd aan te passen aan de veranderende structuur met productie die wordt aangesloten op midden- en laagspanning, maar ook energieopslag die zich op deze niveaus situeert. Het elektriciteitsnet is daarmee de backbone van de energietransitie en verdient daarom de nodige aandacht. We moeten ons vragen durven stellen over de transitie die het elektriciteitsnet zelf dient aan te gaan zodat het klaar is voor deze nieuwe oplossingen en de veranderende structuur van productie en afname.
Voordelen DC-net
Doordat steeds meer elementen direct of via een tussenkring op gelijkspanning werken, kan de omvormer beperkt worden tot een omvormer met 1 enkele conversiestap tussen de DC‑net spanning en de eigen spanning. In AC-netten moet dit aangevuld worden met een tweede conversiestap die de DC-tussenkring verbindt met het AC-net. Praktisch betekent dat de hoeveelheid vermogenselektronica in de omvormer grosso modo halveert, waardoor we op lange termijn uitzicht krijgen op goedkopere omvormers met een hogere energie-efficiëntie omwille van de kleinere conversieverliezen in de vermogenskring, terwijl de omvormer duurzamer omspringt met de grondstoffen (minder vermogenselektronica). De kapitaalkost van de omvormer daalt dus op lange termijn, op korte termijn is dit nog niet zichtbaar vanwege het ontbreken van de schaalvoordelen ten opzicht van de in massa geproduceerde AC-omvormer. Deze omvormers vinden we terug in consumentenelektronica zoals tv's en laptops, vaatwassers, koelkasten, airconditioning en warmtepompen, maar ook voor de aansluiting van pv-panelen en in de lader van elektrische wagens. Dit voordeel vereist echter denken op systeemniveau, omdat dit pas ten volle uitgebuit kan worden als we het hele systeem van productie en opslag over distributie en verbruik in beschouwing nemen.
Door de toepassing van DC-netten kan er 35% meer vermogen gedistribueerd worden per mm2 kabel dan met (driefasige) AC-netten. Dit voordeel neemt toe over langere afstanden. Ter illustratie voor laagspanning; Hierbij worden bipolaire ±350 Vdc-netten vergeleken met driefasige 400 Vac-netten omdat beide netten geschikt zijn om apparaten met een 700 Vdc-tussenkring aan te sluiten, dit houdt de vergelijking eerlijk. Bovendien hoeven er geen reactieve stromen vervoerd te worden in DC-netten, waardoor het voordeel verder oploopt.
In het scenario waarin hernieuwbare energie deels direct wordt gebruikt en deels wordt opgeslagen in bijvoorbeeld batterijen om daarna verbruikt te worden, treden er veel conversiestappen op tussen productie, opslag en verbruiker. In dit scenario kan het voordeel in energie-efficiëntie van DC- t.o.v. AC-netten oplopen tot wel 10%. De impact hiervan moet echter niet onderschat worden, dit houdt immers ook in dat we 10% minder hernieuwbare energie nodig hebben om het verbruik te dekken en dat we een kleine 10% minder opslag nodig hebben. Dit illustreert waarom DC-netten veel verder gaan dan louter distributie, maar dat zij een impact hebben op systeemniveau omdat we significante besparingen kunnen realiseren in de productie en opslag van (hernieuwbare) energie.
In DC-netten heeft de spanning slechts een amplitude, terwijl in AC-netten de spanning een amplitude, frequentie en fase heeft. Dit maakt de netconnectie in DC-netten eenvoudiger aangezien er maar 1 parameter van de spanning geregeld moet worden. Dit maakt het tevens eenvoudiger om het net in eilandbedrijf uit te baten.
Het laatste voordeel staat feitelijk los van de DC versus AC-discussie, maar is louter een voordeel van actieve beveiliging. Netten uitgerust met actieve beveiligingen kunnen langere afstanden overbruggen dan netten met passieve beveiligingen zoals zekeringen (bij dezelfde spanning). In deze laatste netten moet de kabellengte immers beperkt worden om voldoende kortsluitstroom te kunnen leveren bij een sluiting aan het einde van de kabel. Bij actief beveiligde (DC-)netten geldt deze restrictie niet en wordt er vooral gekeken naar de spanningsval over de kabel.
Nadelen
Natuurlijk zijn er ook nadelen verbonden aan DC-netten. Het grootste struikelblok blijft het beperkte aanbod van de beschikbare componenten en de kleinschalige productie van deze componenten. Dit is geen technische hinderpaal en kan opgelost worden door de toenemende vraag en bijhorende grotere productie van deze componenten. Op componentniveau is er dus nog een nadeel, maar op systeemniveau is dit nadeel minder aanwezig. Op residentieel niveau loopt het helemaal niet zo’n vaart. De meest remmende factoren zijn hier het gebrek aan normeringen, regelgeving en beschikbaarheid van producten en toepassingen.
JOULEVERLIEZEN en KaBELDIKTE IN AC En DC
KABELDIKTE
Met gelijkspanning kan er meer vermogen door eenzelfde kabel gestuurd worden dan met wisselspanning. Elke kabel heeft een maximale spanning. Bij de sinusvormige wisselspanning is de maximumwaarde gelijk aan de amplitude van de spanning. De effectieve waarde van de spanning is hierdoor begrensd op Vmax/√2. Een gelijkspanning in een kabel met dezelfde doorsnede kan gewoon ingesteld worden op de maximumwaarde. Uit onze schooltijd weten we nog dat het vermogen P gelijk is aan het product van spanning en stroom. Aangezien de stroom gelijk is bij een gelijke kabeldikte, volgt dat het vermogen dus √2 ofwel 1,4 keer groter is bij gelijkspanning. Om eenzelfde vermogen te kunnen dragen, kan een gelijkspanningsdrager dus met een kleinere diameter uitgevoerd worden. Dat bespaart in de kabelmateriaalkosten.
JOULEVERLIEZEN
Het zou ons in het kader van dit artikel wat te ver leiden om de volledige formuleberekening te plaatsen, maar die leert dat de jouleverliezen bij een DC-net slechts 67% zijn van de jouleverliezen bij een vergelijkbaar driefasig AC-net. Dat laatste verklaart waarom er voor het energietransport van grote hoeveelheden energie over een lange afstand (meer dan 750 km) soms overgestapt wordt op een DC-net.
