14 mrt. 2019
11 minuten
Met steeds meer gelijkspanningsverbruikers en -opwekkers groeien de voordelen van een DC-infrastructuur. Maar dat geldt alleen bij een volledige omschakeling, niet bij deeloplossingen. De weg daar naar toe heeft heel wat stevige hobbels waaronder standaardisatie en, vooral, inertie van de huidige AC-markt.
Wisselstroomnetten zijn momenteel wereldwijd de norm bij het distributie van elektrische energie. Dat is ontstaan uit de relatieve eenvoud waarmee met transformatoren de spanning valt te regelen. Hoogspanning beperkt de verliezen bij transport over grote afstanden, midden- en laagspanning vereenvoudigen de fijnmazige distributie naar de eindgebruikers. Dat historische voordeel is inmiddels achterhaald. Met moderne vermogenselektronica is het tegenwoordig net zo eenvoudig om gelijkspanningen te converteren als met een transformator, bij een hoger rendement.
De laatste tijd is DC dan ook met een opmars bezig en dat gebeurt op diverse niveaus in de keten. Een voorbeeld is het gebruik van hoogspanningsgelijkstroom, HVDC, voor energietransport over grote afstanden, bijvoorbeeld van windparken op zee naar een centrale op land. Ten opzichte van HVAC heeft dat de voordelen van minder kosten en lagere verliezen terwijl geen beperkingen gelden ten aanzien van de lange-afstandskabels.
Ook op toestelniveau zit DC in de lift. Steeds meer apparatuur op gelijkspanning, niet alleen consumentenelektronica maar ook in datacentra, telecommunicatiestations, gebouwsystemen en boordinstallaties van schepen. Bij lagere investeringskosten profiteren deze toepassingen van verbeteringen op het gebied van rendement, betrouwbaarheid en netkwaliteit. En de hoge schakelfrequenties van gelijkspanningsomzetters zorgen voor kleinere passieve componenten, wat resulteert in een afname van afmetingen, gewicht en kosten.
Gelijkspanning is al de standaard bij de opwekking en het transport van duurzame energie. (foto: Ørsted)
Gelijkspanningsnet
Het groeiende aantal DC-applicaties maakt het aantrekkelijker om het hele distributiesysteem te baseren op gelijk- in plaats van wisselspanning. Dat zal de huidige gevestigde markt sterk veranderen en daar ligt een grote uitdaging gezien de schaalgrootte daarvan.
Een ander obstakel is het gebrek aan standaardisatie. Dit heeft ertoe geleid dat er verschillende architecturen en operationele modellen zijn ontwikkeld. Vaak hebben die betrekking op de toepassing binnen een gebouw, bijvoorbeeld voor verlichting of servers, en gaan ze uit van lokale energieopwekking en -opslag. Hierdoor kunnen ze niet profiteren van de potentiële voordelen bij het dynamisch delen van dergelijke bronnen.
Vaak krijgt elk huishouden een afzonderlijke omvormer voor de koppeling met het lokale nanonet. Op zich zorgt deze voor voldoende scheiding en ook kan hij als beveiligingsschakel fungeren. Maar omdat de omvormer moet zijn gedimensioneerd op het piekverbruik, is hij relatief duur. Een overkoepelend distributiesysteem heeft geen afzonderlijke convertoren nodig en kan bij de dimensionering uitgaan van gemiddelde verbruikswaarden. Wel zijn de onderlinge interacties en afhankelijkheden dan complexer en het systeem zal daar mee om moeten kunnen gaan.
Met moderne componenten is een HVDC-transformator goed te realiseren. (foto: ABB)
Decentralisatie
Het aandeel duurzaam opgewekte energie neemt in veel landen snel toe. Het is mogelijk, soms zelfs beleid, dat dit in de toekomst doorgroeit naar 100%. Een toekomstig distributiesysteem moet in staat zijn daarmee om te gaan en wel op verschillende manieren.
De standaard aanname is dat duurzame energie alleen van gedecentraliseerde bronnen komt maar dit hoeft niet het geval te zijn. Zo is het denkbaar dat waar conventionele elektriciteitscentrales verdwijnen op die terreinen zonnepanelen of windmolens komen. En omdat de plaats van de opwekking niet meer gebonden is aan de consumptie ervan, ligt het voor de hand om grootschalige zon-, wind- en watercentrales te bouwen in woestijnen, op zee en in berggebieden. Nu al speelt HVDC daar een grote rol bij, om de energie efficiënt naar het distributiesysteem te transporteren. En analoog aan de huidige infrastructuur zijn midden- en laagspanningsnetten nodig voor verdeling naar de afnemers.
Betrouwbaarheid
Alles bij elkaar zullen de energiehulpbronnen bestaan uit gedistribueerde vormen van zowel opwekking en opslag als verbruik. Daarbij varieert de opbrengst van duurzame bronnen, vooral afhankelijk van de hoeveelheid zon en wind. Het net zal in staat moeten zijn hier flexibel mee om te gaan, bijvoorbeeld door middel van verspreide opslag en op afstand regelbare belastingen. In die laatste categorie vallen vooral niet-tijdkritische installaties, zoals warmtepompen en zwembadverwarmingen.
In principe kunnen consumenten ook als producent fungeren omdat zij een belangrijk deel van de hulpbronnen zullen bezitten. De inzet daarvan vereist een passend marktmodel dat aantrekkelijk is voor zowel de eindgebruiker als de overkoepelende infrastructuur.
Gelijkspanning is in opmars maar we staan nog maar aan het begin
Al die gedistribueerde hulpbronnen leiden tot een aanzienlijk complexer energiesysteem, al dan niet gecentraliseerd, en dat gaat ten koste van de betrouwbaarheid. Daar staat tegenover dat die spreiding het mogelijk maakt dat, in het geval van een hoog-niveau storing, op lager niveau deelnetten zelfstandig en onafhankelijk van de rest kunnen blijven functioneren. Het is dan ook verstandig om het toekomstige energienet te laten bestaan uit onderling verbonden maar wel van elkaar te isoleren micronetten.
Standaardisatie
Schaalgrootte is essentieel voor de stimulering van DC-infrastructuren en voor een brede acceptatie daarvan. Massaproductie van de componenten is nodig om de kosten ervan omlaag te krijgen en de aanschaf ervan aantrekkelijk te maken. Dit lukt alleen met een gestandaardiseerd, voor meerdere toepassingen inzetbaar systeem.
De behoefte aan standaardisatie is het sterkst bij de laagspanningsnetten, met hun grote variëteit aan toestellen en componenten. Bij middenspanning speelt dat minder. Het gaat hier om een kleiner aantal knooppunten en dito diversiteit. Ook zijn hier meestal maar enkele partijen verantwoordelijk voor het beheer.
Modulair
Een gelijkspanningsinfrastructuur kan het beste een modulaire opbouw krijgen met grotendeels zelfstandige, onderling te verbinden subsystemen. Het is niet per se noodzakelijk dat die allemaal DC zijn, elke partitie op elk niveau kan nog met wisselspanning werken. Voor de koppeling volstaat dan een AC/DC-omvormer. Op die manier is het mogelijk om de transitie naar gelijkspanning stapsgewijs te laten verlopen.
Op de kleinste schaal van de distributie bevinden zich de nanonetten. Deze opereren binnen gebouwen of terreinen en kunnen, bij een storing op een hoger niveau, eventueel geïsoleerd functioneren als ze over eigen opwekking beschikken (fig. 1). Daarbij ziet de eigenaar of een onafhankelijke organisatie toe op de besturing en het beheer. De verbinding met de DC-infrastructuur loopt via een intelligente meter en een beveiliging. Betreft dat een AC-net dan is een omvormer nodig.
In de meeste gevallen gaat het om vermogens van 10 kW of minder. Intern zijn ook extra lage spanningen toegestaan. Afhankelijk van de toepassing – bijvoorbeeld ledverlichting of USB-C-aansluitingen – gaat het vaak om 12, 24 en 48 V.
Voor het delen van de lokale energiebronnen binnen de nanonetten zijn het de micronetten die op wijkniveau de verbinding verzorgen. Hierbij kan het gaan om bijvoorbeeld een huizenblok of het laagspanningssegment achter een 400-V substation. Ze zijn verbonden met een hoger niveau net of juist met elkaar. In dat laatste geval ontstaat een omvangrijk laagspanningssysteem dat een volledige stad kan omvatten. Het is zelfs mogelijk dat daarbij een lokale elektriciteitsmarkt ontstaat met eigen verbruiksmeting, verrekening en vermogen- en congestieregeling.
Micronetten kunnen zelfstandig werken als de overkoepelende infrastructuur uitvalt. Ze moeten daarom zijn te isoleren van de rest van het net.
Voorbeeld van een middenspanningstopologie
Distributie
Figuur 2 toont een voorbeeld van een middenspanningstopologie, gekoppeld aan een centrale hoogspanningslijn en met rechtstreekse aansluiting op een lokaal windpark. Niet alle onderliggende micronetten hoeven daar rechtstreeks mee te zijn verbonden, deze kunnen ook alleen onderlinge connecties hebben. Verder kan het middenspanningsnet volledig DC zijn maar ook een combi met AC en bijbehorende omvormers is mogelijk.
Het toenemende aantal zware aansluitingen – onder andere elektrische auto’s, warmtepompen en PV-systemen – stijgt ook de kans op langdurige overbelasting. Conventionele transformatoren hebben daar niet veel problemen mee maar elektronische omvormers wel. Met het oog hierop verdient het aanbeveling om een sterk vermaasde topologie te creëren, in tegenstelling tot de traditionele stervormige structuren. Hoe meer onderlinge verbindingen er zijn, des beter pieken zijn op te vangen door de inzet van aangrenzende substations.
Bij langdurige overbelasting is dat geen oplossing zodat dergelijke situaties niet mogen voorkomen. Dit is te regelen met seriegeschakelde omzetters die de lijnspanning beïnvloeden en daarmee het opgenomen vermogen. Deze bieden echter geen galvanische scheiding, wat extra eisen stelt aan de beveiliging.
Beheer
Wat het beheer van een alomvattend DC-distributiesysteem ingewikkeld maakt is dat de grootte en de samenstelling van de componenten kan variëren. Bovendien zijn deze niet constant, bijvoorbeeld door uitbreiding van het aantal bronnen maar ook door storingen en onderhoud. Zo moeten micro- en nanonetten, als die geïsoleerd van de overige infrastructuur kunnen functioneren, ook in staat moeten zijn hun eigen beheer te regelen. Na het opheffen van die isolatie, bijvoorbeeld omdat de fout op hoger niveau is hersteld, dragen de betreffende hulpbronnen weer bij aan de rest van het net en vallen ze onder het centrale beheer. Nanonetten dienen, na volledige uitval vanuit het hoofdnet, zelfstandig te kunnen opstarten met inzet van lokale energieopwekking of -opslag.
De beste kansen bieden zich aan bij de aanleg van nieuwe netten
De wisselende opbrengst van duurzame bronnen kan er toe leiden dat de aanvoer onvoldoende is om in het totale verbruik te voorzien. Dit vereist flexibiliteit in de vraag. Deels is dat te realiseren met variabele tarieven maar in het uiterste geval zal het nodig zijn om bepaalde verbruikers af te schakelen.
De beslissing daartoe kan zijn gebaseerd op het lokale spanningsniveau, wat een directe indicator is voor de vermogensbalans. Hierbij is het wel nodig dat dit gebeurt aan de hand van gestandaardiseerde voltages, die ingeprogrammeerd zijn in alle aangesloten apparaten. Het afschakelen hoeft overigens niet een binaire aangelegenheid te zijn. Gedeeltelijke reductie van het afgenomen vermogen, bijvoorbeeld door verlichting, koeling of verwarming terug te regelen, is in veel gevallen voldoende. Dit is overigens een duidelijke pre boven het huidige AC-net, dat in dergelijke situaties compleet zou uitvallen.
De investeringen in de nieuwe infrastructuur vallen significant lager uit als elektrische auto’s en soortgelijke stations het variatie in het aanbod op kunnen vangen. Voor het systeem als geheel is dit een enorm voordeel. Echter, de individuele voertuigeigenaren profiteren daar nauwelijks van. De inbreng van dergelijke bronnen zal dan ook geheel automatisch moeten verlopen, waarbij de afnemer hoogstens de optie heeft tot handmatig ingrijpen.
Marktwerking
Voor het adequaat benutten van gedistribueerde bronnen is een goed marktmodel van belang, dat deel uitmaakt van het hele regelsysteem. Hierbij zijn alle deelnemers gelijkwaardig en zijn ze zowel consument als producent. Op die manier heeft lokale opslag voor hen geen financiële consequenties. Het model vergt tevens een strikte scheiding in de kosten van elektriciteit en die van aanleg, onderhoud en beheer van het net.
Dynamische tarieven maken het mogelijk om de vraag te distribueren en de opslag te flexibiliseren. Hoe korter de vertraging in de prijsaanpassing, des te kleiner de behoefte aan reservevermogen. Wel nemen daardoor de kosten voor communicatie en verrekening toe zodat de beheerder hier een optimum in zal moeten vinden. Verder zijn tariefprognoses wenselijk met het oog op een juiste inzet van hulpbronnen, zoals het aanpassen van de belasting en het benutten van opslag.
De verrekening zal eveneens een al dan niet deels gedistribueerde aangelegenheid zijn, aangezien micronetten ook onafhankelijk kunnen functioneren. Bovendien houdt dit de complexiteit en de communicatiebehoefte beperkt terwijl die bij een centrale aanpak al snel lastig onbeheersbare proporties krijgen. Een optie is bijvoorbeeld dat de micronetten intern alle verbruiks- en leveringsinformatie verzamelen en dit vervolgens delen met gekoppelde netten op hetzelfde en hogere niveaus.
Vanwege de hogere gewasopbrengsten zijn kassen steeds vaker uitgerust met ledverlichting, in veel gevallen gevoed vanuit een warmtekrachtkoppeling (foto: Signify/Philips Lighting)
Transitie
Voorlopig is de inertie van de huidige AC-systemen het grootste obstakel voor de realisatie van een dekkend gelijkspanningsnet. Wel zijn er ontwikkelingen die hierbij kunnen helpen. Zo zorgen de standaarden USB-C en USB Power Delivery, die tot 20 V en 5 A gaan, er voor dat meer apparaten hun voeding direct vanuit een USB-aansluiting halen en niet meer vanuit het AC-lichtnet.
Daarnaast groeit het aanbod aan zwaardere verbruikers die zowel op gelijk- als wisselspanning kunnen werken. Ze zijn maar weinig duurder dan hun conventionele tegenhangers en dat maakt ze aantrekkelijk als flexibel alternatief. Bij toenemende verkopen zullen de kosten nog verder dalen.
Verder werken de industrie en de utiliteitsbouw steeds vaker met DC-infrastructuren. Deze voeden bijvoorbeeld telecommunicatie- en ICT-apparatuur, motoren, scheepsinstallaties of de ledverlichting in kantoren en kassen. Vaak is er ook sprake van een combinatie met opwekking via PV, wind of warmtekrachtkoppeling.
Hoewel gedurende de overgangsperiode wissel- en gelijkspanningsnetten in veel gevallen naast elkaar zullen bestaan, zal alleen de definitieve omschakeling het mogelijk maken om alle voordelen te benutten. Dit lukt pas als er een gevestigde markt voor DC-toestellen is ontstaan en die zal er niet makkelijk komen zolang de oude infrastructuur nog voldoet. De beste kansen bieden zich aan bij de aanleg van nieuwe netten en wellicht gaan daarbij regio’s die momenteel nog geen elektriciteitsvoorziening hebben het voortouw nemen.
Deze tekst is gebaseerd op het artikel Toward the Universal DC Distribution System door Laurens Mackay , Nils van der Blij, Laura Ramirez Elizondo en Pavol Bauer van de faculteit Electrical Sustainable Energy van de TU Delft. Het document is te vinden via www.narcis.nl, het Nederlandse platform voor toegang tot wetenschappelijke informatie.
Eerder dit jaar promoveerde hoofdauteur Laurens Mackay op dit onderwerp en zijn proefschrift, Steps towards the universal direct current distribution system, is eveneens te vinden op Narcis. Inmiddels zet Mackay zijn onderzoeksactiviteiten voort binnen zijn bedrijf DC Opportunities .
Anderen lazen ook
