Gelijkstroom rukt opnieuw op: naar een efficiëntere energie-infrastructuur

De stille stroomrevolutie van AC naar DC

DC Grid machinekast — Gelijkstroom (DC) is een duurzaam en efficiënt alternatief voor AC, ook wel wisselstroom genoemd (Phoenix Contact)

Onze wereld draait al bijna anderhalve eeuw op wisselstroom (AC), maar dat systeem begint zijn grenzen te bereiken. In de huidige tijd waarin elektrische voertuigen, zonnepanelen en energieopslag de norm worden, lijkt een stille revolutie zich af te kondigen: die van gelijkstroom (DC).

De oorlog van de stromen

Aan het einde van de negentiende eeuw woedde een hevige strijd tussen twee visies op elektriciteit, beter bekend als de "Oorlog van de Stromen". Enerzijds was er de gelijkstroom van Thomas Edison, die eenvoudig en betrouwbaar was over korte afstanden, maar kampte met hoge verliezen bij langeafstandstransport. Daartegenover stond de wisselstroom van Nikola Tesla, die dankzij transformatoren wél geschikt bleek te zijn voor grootschalige distributie. De mogelijkheid om spanning eenvoudig te verhogen en te verlagen gaf wisselstroom destijds de doorslag: het werd de ruggengraat van onze elektriciteitsnetten en bleef dat ruim een eeuw lang.

Vandaag verschuift het speelveld opnieuw. De energiesector digitaliseert en elektrificeert in een snel tempo, met zonnepanelen, batterijopslag en elektrische voertuigen als drijvende kracht. Die toepassingen werken van nature op gelijkstroom. De vraag rijst steeds vaker of het nog logisch is om energie voortdurend om te zetten van AC naar DC en weer terug. Nieuwe technologieën en vermogenselektronica maken dat gelijkstroom opnieuw een realistische, efficiënte én duurzame optie wordt binnen moderne gebouwen en industriële omgevingen.

PCO Electric Grid — Dankzij hernieuwbare energiebronnen - zoals zonnepanelen en elektrische voertuigen - die van nature op gelijkstroom werken, treedt gelijkstroom weer op de voorgrond (Phoenix Contact)

Waarom overstappen op DC?

Dat gelijkstroom vandaag opnieuw in de belangstelling staat, heeft alles te maken met de efficiëntie van moderne energiesystemen. De huidige AC-systemen vereisen vele omzettingen tussen AC en DC, waardoor heel wat energie verloren gaat - tot wel 20%. Een DC-net maakt echter komaf met die vele AC/DC-conversies, wat het energieverlies beperkt en zorgt voor een lager verbruik.

Omdat je minder conversies hebt in een DC-systeem, heb je dus ook minder materiaal nodig: uit de praktijk blijkt dat je 50% minder koper nodig hebt in de bekabeling van DC-netten. Dit vermindert zowel de materiaalkost als de CO₂-voetafdruk, aangezien de productie van koper heel energie-intensief is. Daarnaast wordt gelijkstroom vaak op een hogere spanning (650 volt) verdeeld dan wisselstroom (meestal 400 volt). Door de hogere spanning kan dezelfde hoeveelheid vermogen door een kabel met een veel kleinere doorsnede worden gestuurd.

schakelkast AC/DC — Bij een DC-systeem wordt het kopergebruik gehalveerd. Het totale aantal elektrische componenten kan tot 25% slinken (Weidmüller)

Ook het aantal elektrische componenten daalt aanzienlijk. Op veel plaatsen kunnen omvormers en convectors wegvallen, omdat de apparaten rechtstreeks op de DC-netten worden aangesloten. Dit kan in totaal leiden tot 25% minder componenten in de schakelkast, wat resulteert in lagere kosten, minder onderhoud en compactere installaties.

In deze tijd waarin we massaal streven naar klimaatneutraliteit, is het gebruik van hernieuwbare energiebronnen onmisbaar. Zonnepanelen, batterijopslag en elektrische voertuigen vormen samen een DC-keten waarin energie rechtstreeks kan worden uitgewisseld zonder telkens te worden omgevormd. Hier wordt bidirectioneel laden - ook wel vehicle-to-grid (V2G) genoemd - naar voren geschoven, waarbij elektrische voertuigen niet alleen stroom opnemen, maar ook terugleveren aan het elektriciteitsnet. Zo ontstaat een soort energiekringloop die eigen verbruik maximaliseert en de externe netbelasting beperkt. Maar V2G zit nog in de beginfase: slechts een handvol elektrische wagens beschikken al over de functie en een juridisch kader ontbreekt nog.

bidirectioneel laden — Vehicle-to-grid, een technologie waarbij elektrische voertuigen ook stroom kunnen terugleveren aan het net, staat nog in de kinderschoenen. Slechts een handvol elektrische wagens beschikt al over de functie en het juridisch kader ontbreekt nog

Kinderziektes

De brede invoering van DC-technologie staat nog maar aan het begin. Naast de voordelen met betrekking tot energie-efficiëntie en materiaalkost zijn er nog duidelijke drempels die eerst moeten worden aangepakt. De belangrijkste uitdagingen liggen vandaag op het vlak van veiligheid, normering en opleiding.

inhoud elektriciteitskast — Doordat gelijkstroom geen nuldoorgang kent, kan het risico op een vlamboog ontstaan. Door de jaren heen zijn er al innovatieve componenten ontwikkeld om dit probleem aan te pakken
(Phoenix Contact)

Veiligheidsrisico's

Een van de meest besproken uitdagingen bij gelijkstroom is de vlamboog die kan ontstaan wanneer een DC-net wordt afgeschakeld. In tegenstelling tot wisselstroom kent DC geen nuldoorgang. De vlamboog kan schade veroorzaken aan de apparatuur en in het ergste geval ook bij de gebruikers. Dit veiligheidsrisico was ook een van de redenen waarom Tesla met zijn wisselstroom de strijd van Edison had gewonnen in de "Oorlog van de Stromen".

Maar die strijd ligt echter al lang achter ons. Moderne vermogenelektronica en nieuwe types connectoren kunnen die risico's drastisch verminderen. Zo zijn er innovatieve connectoren met blustechnieken ontwikkeld om de installateur te beschermen tegen de gevaren van de vlamboog. Toch blijft het cruciaal dat deze technologie breed gestandaardiseerd en getest wordt, zodat installateurs kunnen rekenen op voorspelbare veiligheidsniveaus.

Standaardisatie blijft achter

Waar AC-distributie steunt op meer dan een eeuw aan regelgeving - in België vastgelegd in het AREI - bevindt de normering voor DC-netten zich nog maar in de kinderschoenen. Dankzij de 'early adopters' ontstond de vraag naar standaardisatie: verschillende proefprojecten rond DC in Europa konden namelijk niet worden gekeurd, eenvoudigweg omdat er geen regels bestonden. Die projecten vormden dan ook een kantelpunt. Intussen worden stilaan normen uitgewerkt, maar het proces is nog lang niet afgerond. De regelgeving wordt op Europees niveau opgesteld en veel normen bevinden zich voorlopig slechts in voorontwerp. Daarna moeten ze worden goedgekeurd in de commissies, waar alle 27 lidstaten hun stem moeten uitbrengen, en precies daar verloopt het nog wat moeizaam.

Open Direct Current Alliance (ODCA)
Om de uitrol van DC-systemen te versnellen, is samenwerking tussen verschillende partijen van cruciaal belang. Daarom werd de Open Direct Current Alliance (ODCA) opgericht: een werkgroep van 33 bedrijven uit de industrie, de academische wereld en onderzoek die de DC-technologie wereldwijd wil uitbouwen én ze in diverse toepassingen wil implementeren - met oog op een besparing van de grondstoffen en een CO₂-neutrale wereld. De internationale non-profitorganisatie telt ondertussen meer dan 80 leden uit 17 landen, verspreid over drie continenten.

DC-grid installateur — De normen voor DC-grids worden stilaan uitgewerkt (Weidmüller)

Tekort aan gespecialiseerde profielen

De opkomst van DC vereist niet alleen innovatieve technieken en standaardisatie van regels, maar ook nieuwe expertise van installateurs, ontwerpers en ingenieurs.

De kloof wordt nog groter omdat moderne energieprojecten vaak zowel kennis van software als van een elektrotechnische achtergrond vereisen. Een IT'er kan bijvoorbeeld een uitstekend energiesysteem programmeren, maar moet ook begrijpen welke impact een vijf megawatt batterij op het netwerk heeft.

De vraag naar technisch geschoold personeel dat van twee markten thuis is, is vandaag heel groot. Op termijn kunnen opleidingen ervoor zorgen dat het personeel bijgeschoold wordt, maar daarvoor moet de standaardisatie eerst op punt staan.

DC in industrie — Het is een grote uitdaging om technisch geschoold personeel te vinden dat zowel thuis is in het programmeren van software als in elektrotechniek (Phoenix Contact)

Industrie en havens schakelen over op DC

Op dit moment worden de meeste proefprojecten op industrieel gebied uitgerold: van productielijnen, proces- en transportindustrie tot datacenters, kantoor- en commerciële gebouwen. Telkens leveren ze dezelfde resultaten op: een energie-efficiëntere productie, met aanzienlijke besparingen op energie (tot zelfs 75%) en materiaalkosten (25%), en een betere integratie van de hernieuwbare energiebronnen.

Hoewel residentiële toepassingen voorlopig nog niet tot de focusgebieden behoren, benadrukken experts dat woningen op termijn wel degelijk kunnen evolueren naar DC-netten. Veel huishoudtoestellen werken intern al op gelijkstroom, denk maar aan onze wasmachines, warmtepompen en zelfs onze smartphones. Ook op gemeentelijk niveau zouden er DC-microgrids kunnen worden geïmplementeerd, maar dat blijft voorlopig toekomstmuziek: er ontbreken nog specifieke normen en veiligheidsrichtlijnen. Daarom concentreren de meeste initiatieven zich nu op commerciële en industriële gebouwen, waar de schaalgrootte en het energieprofiel meer potentieel bieden.

Waar DC wel stevig ingeburgerd is, is de scheepvaart. Veel schepen draaien intern op gelijkstroom, waardoor DC-distributie perfect aansluit op hun bestaande energiemodel. In verschillende Europese havens worden momenteel projecten uitgerold waarbij schepen rechtstreeks op een DC-laadstation worden aangesloten, wat de efficiëntie verhoogt en de omschakeling naar een CO₂-arme logistieke keten versnelt.

cargo schip aan wal — Veel schepen draaien intern op gelijkstroom, waardoor DC-distributie perfect aansluit op hun bestaande energiemodel

Eenvoudigere bekabeling, minder onderhoud

Compactere installatie

De installatie van een DC-grid vertoont veel gelijkenissen met die van een klassiek AC-net, maar verschilt technisch op enkele cruciale punten. Omdat industriële DC-netten vaak op 650 volt werken - hoger dan de gebruikelijke 400 volt AC - kan hetzelfde vermogen door kabels met een kleinere doorsnede worden gestuurd. Dat vermindert de hoeveelheid koper en maakt de bekabeling compacter. Ook het aantal componenten daalt: veel omvormers en conversiemodules vallen weg zodra machines, laadpunten, PV-systemen of batterijen rechtstreeks op de DC-rail kunnen worden aangesloten.

Een AC-grid heeft doorgaans 3 tot 5 kabels nodig, terwijl een DC-net meestal maar 2 geleiders (plus en min) en soms een extra aardgeleider heeft. Daardoor kan DC met minder bekabeling toe, wat installaties eenvoudiger en potentieel goedkoper maakt.

Storingen detecteren

In een DC-grid zorgen onderbrekers ervoor dat foutstromen zoals overstroom of kortsluiting snel worden gedetecteerd en de betrokken kring automatisch wordt afgeschakeld. Omdat DC geen nuldoorgang heeft, moeten deze onderbrekers geschikt zijn voor het veilig onderbreken van blijvende stroom. Steeds vaker worden 'slimme onderbrekers' gebruikt: snelle beveiligingsapparaten die tussen de DC-busbar en individuele DC-sectoren zitten. Ze zijn speciaal ontworpen voor DC-netten, reageren sneller dan de klassieke stroomonderbrekers en meten continu alle waarden zoals de stroom, spanning en isolatie. Ze schakelen bij een fout alleen de getroffen sector af - bijvoorbeeld bij overstroom, kortsluiting of een grondfout - zodat de rest van het DC-net operationeel blijft.

Bij machines of installaties kan ook een noodstop automatisch de betreffende DC-sector spanningsvrij maken. Bovendien worden energiemanagementsystemen geleidelijk compatibel gemaakt voor DC-netten.

installatie in schakelkast — Zowel de installatie als het onderhoud van een DC-systeem zijn efficiënter (Phoenix Contact)

Onderhoud

Het onderhoud van een DC-grid verschilt niet fundamenteel van dat van een AC-installatie, maar in de praktijk is het vaak eenvoudiger. Doordat veel componenten in DC-systemen wegvallen, zijn er ook minder componenten die kunnen slijten of defect raken. Hoe lang de kritische componenten in een DC-systeem meegaan, is nog koffiedik kijken, maar de verwachte levensduur is wel vergelijkbaar met die in AC-systemen.

Best of both worlds

Hoewel DC een duurzaam en efficiënt alternatief is voor AC-netten, zien experten AC niet direct verdwijnen. AC en DC zullen naast elkaar blijven bestaan. Er is te veel AC in de wereld om dat op een korte tijd weg te werken. Daarom ligt de focus op het toepassen van DC daar waar het materiaal en de energieverliezen kunnen worden weggewerkt. DC biedt een kans op energiebesparing en CO₂-reductie, vooral voor industrieën die veel verbruiken. Daarbij kan bidirectioneel laden een katalysator vormen zodra de regelgeving dit toelaat. De toekomst van elektriciteit is niet langer AC of DC, maar een slim samenspel tussen de twee.

Met medewerking van Phoenix Contact en Weidmüller