Van AC naar DC

Ons elektriciteitsnet moet op de schop, vinden Laura Ramirez Elizondo en Pavol Bauer. Ze leiden het onderzoeksproject Direct Current (DC) Distribution Smart Grids, dat onlangs twee miljoen euro kreeg van de Europese Unie.

2015 12 Macro level top HR

Illustratie: Stephan Timmers / Total Shot

Nu zijn ze onmisbaar, de grote kolen- en gascentrales in ons land, maar over twintig jaar spelen ze nauwelijks meer een rol van betekenis. Onze elektriciteitsvoorziening gaat enorm veranderen, denken onderzoekers van de sectie DC systems, energy conversion & storage (faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica, EWI).

In de gang van de onderzoeksafdeling hangt een poster met een cartoon die de toekomstvisie van de onderzoekers aardig weergeeft. We zien industrie, een energiecentrale, een stedelijk gebied, windmolens op zee en zonne-energieparken. Op de plaat staan slechts enkele hoogspanningskabels; ze verbinden de windparken met het vaste land en zorgen ervoor dat de energie-centrale fabrieken kan voorzien van elektriciteit. In of naar de stad lopen nauwelijks hoogspanningskabels.
De stedelingen zijn zelfvoorzienend en aangesloten op een gelijk-spanningsnet (DC-net). Alle daken en veel muren zijn bedekt met zonnepanelen. Hier en daar staat een windmolen op een dak of tussen de huizen.

Volgens dr.ir. Laura Ramirez Elizondo en prof.dr.ir. Pavol Bauer, de trekkers van het project ‘Direct Current (DC) Distribution Smart Grids (DCSMART)’, gaan woonwijken elektriciteit zelf opwekken en met elkaar uitwisselen via laagspanning DC-netten. Wat voor rol spelen energiebedrijven straks nog? “Hun rol verandert enorm”, zegt Ramirez. “De directe link tussen energiebedrijven en de consument wordt heel anders. Ik denk dat energiebedrijven vooral als dienstverlener gaan werken. Ze kunnen helpen bij het reguleren van de netten en bij het aansluiten van huishoudens op deze netten.”
De onderzoekers richten zich voornamelijk op de vraag wat er moet gebeuren om de transitie naar duurzame laagspanning DC-netten mogelijk te maken. DC staat voor direct current, de Engelse term voor gelijkspanning.

Eeuw van de gelijkstroom
Wisselstroom heeft volgens de wetenschappers zijn beste tijd gehad. De eenentwintigste eeuw wordt de eeuw van de gelijkstroom. En daarmee gaat de wens in vervulling van Thomas Edison. Edison stond aan de wieg van ‘s werelds eerste elektriciteitsvoorziening. Hij voorzag vanaf 1882 enkele tientallen klanten in Manhattan van 110 volt gelijkspanning. Het probleem met gelijkstroom was dat je het lastig over grote afstanden kon transporteren omdat je de gelijkspanning niet kon omzetten naar hoge voltages. Nu kan dat wel door middel van vermogenselektronica. Er ontstond een concurrentiestrijd tussen Edison (gelijkstroom) en de Amerikaanse zakenman George Westinghouse, een felle voorstander van wisselstroom. Deze strijd zou de geschiedenis ingaan als de ‘War of the currents’ en werd beslecht in het voordeel van de wisselstroom. Het lijkt erop dat Edison postuum toch nog zijn zin krijgt, omdat we allemaal onze eigen energie gaan opwekken.
“Wisselspanning is een erfenis uit het verleden”, vertelt Ramirez. “Decentrale opwekkingstechnologieën zoals zonnepanelen produceren gelijkspanning, en opslagtechnologieën zoals batterijen en elektrische auto’s werken op gelijkspanning. Dit gebeurt allemaal op laagspanningsniveau. We kunnen de elektriciteit ter plekke opwekken en gebruiken. Als laagspanningsnetten op gelijkspanning werken, hoeven we de output van die technologieën niet om te zetten in wisselspanning.”

Adapters zijn dan ook niet meer nodig. Alle apparaten, van laptops, tot broodrooster en tv’s, werken op gelijkspanning (DC). Omzetters veranderen nu de wisselspanning (AC, alternating current) uit het stopcontact voor deze apparaten om in gelijkspanning. En dat terwijl zonnepanelen gelijkspanning produceren. Het is eigenlijk heel onhandig dat we elektriciteit omzetten van DC, naar AC en weer terug naar DC.

Laura Ramirez Elizondo

Laura Ramirez Elizondo Foto: Marcel Krijger

Dit gebruikersgemak is niet de enige drijfveer van de onderzoekers. Ramirez: “Ik denk dat we de wereld duurzamer kunnen maken met laagspanning intelligente DC-netten. Deze netten maken de overstap naar volledig duurzame elektriciteit met wind en zon makkelijker. We hebben bovendien minder dikke kabels nodig en geen grote adapters meer. Dat scheelt materiaal. En op plekken op de wereld waar het geld ontbreekt om traditionele hoogspanningsinfrastructuur aan te leggen – veel plekken in Afrika – komen elektriciteitsnetten dankzij DC toch binnen handbereik.”
Overstappen naar gelijkspanning is een hele uitdaging. Zo moeten gelijkspanningsnetwerken beter bestand worden tegen storingen zoals kortsluiting. Dat is een van de onderwerpen waar binnen het Europees project aan gewerkt wordt. Daarnaast werken ze aan algoritmes om vraag en aanbod op DC-netten te balanceren. De elektriciteitsproductie van zonnepanelen en windturbines varieert sterk. Daar moet je op een handige manier mee om gaan.
De nieuwe focus op laagspanning betekent dat het hoogspanningslab van EWI de nodige aanpassingen ondergaat. Naast de huidige hoogspanningsapparatuur komen er zonnepanelen, elektrische auto’s en thuisbatterijen te staan. Voor een van hun onderzoeksprojecten bootsen de Delftenaren een huishoudelijke installatie in Nederland na. Het doel is om te evalueren hoe effectief de thuisbatterij is voor intelligent energiebeheer.

Omslagpunt
Wanneer kunnen we de omslag verwachten? Bauer: “Over een jaar of tien zien we waarschijnlijk de eerste nieuwbouwprojecten ontstaan waarbij wijken uitgerust worden met intelligente DC-netten. Wat helpt, is dat elektrisch rijden populair wordt. Het opladen van elektrische auto’s vergt veel vermogen. Ons huidige elektriciteitsnet kan al die elektrische auto’s over een tijdje niet meer aan. Je kunt daar gedistribueerde DC-netten voor creëren. Het zou me niet verbazen als DC-netten worden aangelegd speciaal voor elektrische auto’s.”
Het team werkt ook aan een demonstratieproject in de Haarlemmermeer. Een aantal glastuinbouwers gaat over op een DC-net. De tuinders gaan zelf met warmtekrachtkoppeling met een gasturbine hun eigen warmte voor de kassen produceren en elektriciteit opwekken. “Onze inbreng in dit project is de intelligentie”, licht Ramirez toe. “We willen de turbines dusdanig instellen dat ze de juiste restwarmte produceren voor de kassen en tegelijkertijd zoveel mogelijk elektriciteit generen. Daarnaast moeten we de stabiliteit van het DC-net behouden door middel van regelingsalgoritmen.”
Op termijn willen de onderzoekers ook aan een woonwijk met DC-netten werken. Ze gaan daarvoor een aanvraag indienen voor een Marie Curie-subsidie bij de Europese Unie. Als die doorgaat, kunnen de onderzoekers op wijkniveau verder werken aan concepten voor intelligente DC-netten. “We kijken dan naar veel meer toepassingen, waaronder schepen en vliegtuigen die op gelijkstroom werken”, zegt Bauer. “Meer dan dertig onderzoekspartners uit Europa hebben zich voor dit project bij ons aangesloten.”

Blijf op de hoogte van het onderzoek

Ontvang de Delft Integraal nieuwsbrief 4 keer per jaar