GEDISTRIBUEERDE HERNIEUWBARE ENERGIEOPWEKKING EN HET GEBRUIK VAN DC-NETTEN FOCUS De opkomst van kleinschalige energieopwekking via bijvoorbeeld fotovoltaïsche panelen, microwindturbines of micro WKK-installaties verhoogt de behoefte aan lokale energieopslag. De vraag stelt zich of het in een dergelijke situatie niet beter is een DC-net in plaats van een AC-net te gebruiken. BASISFILOSOFIE VAN KLEINSCHALIGE ENERGIEOPWEKKING Het is een onloochenbaar feit dat het elektriciteitsverbruik op wereldschaal, maar ook in onze westerse wereld, jaar na jaar toeneemt. De toename van de wereldbevolking en de toename van de levensstandaard zijn hierbij twee belangrijke factoren. Een derde factor ligt in het feit dat steeds meer apparaten elektrisch, en niet via een andere energiebron, gevoed worden. Zelfs indien serieuze maatregelen genomen worden om op het energiegebruik te bezuinigen, zullen in de toekomst grote hoeveelheden elektrische energie opgewekt moeten worden. De opwekking van deze elektrische energie gebeurt momenteel grotendeels via elektrische centrales die ofwel fossiele brandstoffen (voornamelijk steenkool, aardgas en aardolie) ofwel kernbrandstoffen als primaire energiebron hebben. De voorraad fossiele brandstoffen is eindig en ook de bevoorrading op korte termijn kan om politieke redenen bemoeilijkt worden. Bovendien veroorzaakt de verbranding van fossiele brandstoffen vaak CO 2 uitstoot (of uitstoot van andere broeikasgassen). Het gebruik van kernbrandstoffen is maatschappelijk en politiek omstreden; niet in het minst op basis van veiligheidsoverwegingen en de vraag op welke wijze het nucleair afval behandeld moet worden. Aangezien het gebruik van fossiele brandstoffen en kernbrandstoffen bij elektrische energieopwekking best beperkt wordt, komen hernieuwbare energiebronnen steeds vaker in de belangstelling. Hierbij is het belangrijk een onderscheid te maken tussen grootschalige projecten (bijvoorbeeld grote hydraulische centrales zoals de Itaipu dam) en kleinschalige projecten.
Figuur 1: De Itaipu dam op de grens van Brazilië en Paraguay Het potentieel op wereldvlak ten opzichte van nieuwe grootschalige hydraulische centrales is aanzienlijk, doch op Europees vlak is dit potentieel beperkt. In een vlak en dichtbevolkt land zoals België is er trouwens geen potentieel. Dit resulteert in een zoektocht naar een groot aantal kleinschalige projecten (niet enkel hydraulisch) vanuit het idee vele kleintjes maken een groot. Het is dan ook een niet onbelangrijke denkpiste dat in de toekomst zoveel mogelijk woningen zelf een gedeelte (of misschien zelfs alle) elektrische energie opwekken via bijvoorbeeld fotovoltaïsche cellen, microwindturbines, micro-wkk installaties (ook al is WKK strik genomen niet hernieuwbaar), Figuur 2: Fotovoltaïsche panelen particuliere woning OP ELKAAR AFSTEMMEN VAN PRODUCTIE EN VERBRUIK Er stelt zich echter een belangrijk probleem indien een particuliere woning zelf de benodigde elektrische energie wenst op te wekken. De elektrische energie wordt meestal niet geproduceerd op de tijdstippen waarop men deze nodig heeft. Anders gesteld, productie en verbruik vallen niet samen in de tijd. Dat laatste (erg belangrijke) probleem kan op twee manieren opgevangen worden. Indien de woning gevoed wordt door het publieke elektriciteitsnet, kan men het teveel aan gegenereerde energie leveren aan de elektriciteitsmaatschappij. Wanneer men op een ander tijdstip een tekort heeft aan energie, koopt men deze terug aan de maatschappij.
Hierbij kan men er op hopen dat particulier A energie wil verkopen op hetzelfde moment waarop particulier B energie wil kopen. Men kan hopen, bij het globaal bekijken van een groot aantal particulieren, dat er een zekere uitmiddeling optreedt qua verbruik en productie. Dit zal evenwel niet altijd het geval zijn, hierdoor moet de elektriciteitsmaatschappij via een gepaste regeling van grotere centrales er steeds voor zorgen dat de totale elektriciteitsproductie en het totale verbruik ogenblikkelijk aan elkaar gelijk zijn. Dit laatste is (lijkt) enkel haalbaar indien het procentueel belang van hernieuwbare energie in de totale productie beperkt is. Bovendien vereist de bovenstaande aanpak flink wat energietransport langsheen het elektrisch net. Deze transportcapaciteit is echter beperkt. Een uitbreiding van deze transportcapaciteit kost geld en stuit niet zelden op weerstand bij de bevolking vanuit de reflex not in my back-yard. Een tweede manier om het probleem op te vangen, is het voorzien van voldoende opslagcapaciteit bij de particuliere woning zelf. Wanneer er een overschot aan elektrische energie geproduceerd wordt, wordt deze opgeslagen totdat deze verbruikt wordt. De energieopslag kan onder meer gebeuren met behulp van batterijen, ultracap s en/of brandstofcellen. ELEKTRISCHE ENERGIE-OPSLAG EN DC Zoals reeds eerder aangehaald, is het bij een particuliere woning mogelijk zelf elektrische energie te genereren met behulp van bijvoorbeeld fotovoltaïsche cellen, een micro-windturbine of een micro-wkk. Het gebruik van batterijen is de meest voor de hand liggende manier om deze energie op te slaan. Een opgeladen batterij levert echter een DC-spanning en geen AC-spanning. Het gebruik van batterijen om elektrische energie op te slaan is uiteraard helemaal niet nieuw. De vooruitgang van de vermogenelektronica heeft er voor gezorgd dat na de batterij meestal een wisselrichter geplaatst wordt die de batterijspanning omzet naar een 50 Hz wisselspanning van 230 V waarmee de verbruikers in de woning gevoed worden. Technologisch kan echter de vraag gesteld worden of de wisselrichter best behouden blijft. Waarom niet de verbruikers rechtstreeks voeden vanuit de batterijen? Dit betekent dan wel dat binnen de woning van een AC-net overgestapt wordt naar een DC-net zoals ongeveer een eeuw geleden de omgekeerde beweging heeft plaatsgevonden. Niet enkel het gebruik van batterijen nodigt uit na te denken over een DCnet binnen een particuliere woning; ook wanneer ultracap s en vooral wanneer brandstofcellen gebruikt worden is van nature uit een DCspanning beschikbaar en geen AC-spanning.
HET EINDE VAN HET WISSELSTROOMTIJDPERK? In de beginjaren van de elektriciteitstechnologie werd sterk getwijfeld aan de bruikbaarheid van een AC-spanning die gemiddeld nul is. In de negentiende eeuw (en ook nog in de twintigste eeuw) zijn flink wat gelijkstroomcentrales gebouwd. Onder meer Thomas Alva Edison was in de negentiende eeuw een bekend voorvechter van elektriciteitsdistributie bij DC. Edison was hierbij de opponent van zijn vroegere medewerker Nikola Tesla die het gebruik van AC verdedigde. Uiteindelijk heeft de ACfilosofie van Tesla het technologisch gehaald. De overstap van DC-netten naar AC-netten is onder meer gebeurd omdat elektrische energie in grote elektrische centrales werd opgewekt. Dit vereist namelijk het transporteren van grote hoeveelheden elektrische energie over lange afstanden. Het gebruik van hoge spanningen beperkt de transportverliezen doch dit vereist een eenvoudige manier om een lage spanning in een hoge spanning om te zetten en omgekeerd. Dit is mogelijk met transformatoren op voorwaarde dat AC en geen DC gebruikt wordt. Bijkomend voordeel van AC-netten was onder meer het feit dat de stromen wegens de nuldoorgangen gemakkelijker onderbroken kunnen worden. Komt daar nog bij dat de ontwikkeling van goedkope en robuuste AC-inductiemotoren (zonder koolstofborstels die onderhoud vergen) de noodzaak aan DC-motoren beperkt hebben. Indien nu terug overgestapt wordt op meer lokale elektriciteitsproductie verdwijnt één van de redenen om AC in plaats van DC te gebruiken, er is minder hoogspanning nodig. Vandaar dat een onderzoek naar de opportuniteiten (maar ook de problemen) van een lokaal DC-net relevant is. Naast de geïndustrialiseerde wereld, kan de focus ook gericht worden op de ontwikkelingslanden. In ontwikkelingslanden is men vaak aangewezen op lokale elektriciteitsproductie via bijvoorbeeld fotovoltaïsche cellen. De energie wordt opgeslagen via batterijen en voedt dan wanneer nodig de verbruikers. Een tweede mogelijkheid bestaat er in via brandstofcellen waterstof te produceren en op te slaan. Via dezelfde brandstofcellen en de opgeslagen waterstof kunnen dan de elektrische verbruikers gevoed worden wanneer nodig. Hier dringt zich eveneens de keuze tussen een AC-net en een DC-net op. De laatste tijd wordt uitgebreid nagedacht over de toekomst van een mogelijke waterstofeconomie. Onder meer via brandstofcellen kan waterstof geproduceerd worden en terug omgezet worden naar elektrische energie wanneer nodig. In die context stelt zich de (voortvarende en ongetwijfeld choquerende) vraag of de distributie van elektrische energie via hoogspanningslijnen niet vervangen kan worden door een waterstofdistributienetwerk. Lokaal wordt, op het gepaste ogenblik, via
een brandstofcel de energie in de waterstof omgezet naar elektrische energie (DC) die ogenblikkelijk verbruikt wordt. LOKAAL DC-NET Lokale, kleinschalige elektrische energieopwekking vermindert de behoefte aan hoogspanningsnetten om grote hoeveelheden elektrische energie over grote afstand te transporteren. Eén van de argumenten om AC-netten in plaats van DC-netten te gebruiken vervalt meteen ook. Vergeet trouwens niet dat flink wat toestellen ofwel met DC werken of kunnen werken. Veel elektronische toestellen die nu klassiek met 230 VAC gevoed worden transformeren die spanning naar beneden, richten deze spanning gelijk en via een gestabiliseerde voeding wordt de gewenste DCspanning voor intern gebruik bekomen. Een doorbraak van kleinschalige hernieuwbare energie-opwekking kan bijgevolg een ruimere invloed hebben op de elektrotechnische wereld dan velen denken. De elektrische energie wordt lokaal opgewekt via bijvoorbeeld fotovoltaïsche cellen en opgeslagen (batterijen en/of brandstofcellen). Bij het vasthouden aan een AC-net krijgt men een ietwat eigenaardige situatie. Men vertrekt van de DC-spanning van bijvoorbeeld de batterij, deze wordt omgezet naar een AC-spanning en voedt zo het elektronisch toestel. Doch het toestel zet deze AC spanning terug om naar DC vooraleer deze nuttig te gebruiken. Figuur 3 toont een overzicht van een lokaal AC-net verbonden met het publieke elektriciteitsnet. Er kan naar keuze vermogen opgenomen worden van of geleverd worden aan het publieke elektriciteitsnet. De lokale elektriciteitsproductie kan gebeuren door een AC generator die een AC-spanning met een variabele frequentie opwekt. Via een gelijkrichter en een inverter wordt de vereiste 50 Hz spanning bekomen. Fotovoltaïsche cellen genereren een DC-spanning die via een inverter omgezet wordt in de vereiste 50 Hz AC-spanning. Het 50 Hz AC-net voedt rechtstreeks een aantal belastingen, maar om DC-belastingen te voeden is een gelijkrichter nodig. Figuur 3: Mogelijke opbouw van een lokaal AC-net
Wanneer het lokale AC-net ook in eilandbedrijf werkt, dus losgeschakeld van het publieke elektriciteitsnet, is energieopslag nodig om het vermogenevenwicht te kunnen behouden. Bemerk dat in Figuur 3 voor sommige AC-belastingen en sommige DC-belastingen een energieopslagmedium voorzien is. Dankzij dit energieopslagmedium kan dit deel van het AC-net naar keuze vermogen verbruiken/opslaan of vermogen leveren. Het grote aantal vermogenelektronische omvormers aanwezig in Figuur 3 kan gereduceerd worden door over te stappen op een lokaal DC-net zoals weergegeven in Figuur 4. De connectie met het publieke elektriciteitsnet is nog steeds aanwezig; er kan naar keuze netgekoppeld of in eilandbedrijf gewerkt worden. Lokale energieproductie is nog steeds aanwezig op basis van zowel AC-bronnen als DC-bronnen. Zowel AC-belastingen als DCbelastingen zijn mogelijk. Belangrijk is de aanwezigheid van een energieopslagmedium die naar keuze vermogen kan opslaan of terugleveren teneinde het vermogenevenwicht te bewaren. Figuur 4: Mogelijke opbouw van een lokaal DC-net EEN DC-NET EN HET VEREISTE SPANNINGSNIVEAU Zoals eerder gesteld, wordt lokale energieopwekking in een particuliere woning beschouwd. De bijvoorbeeld via fotovoltaïsche cellen zelf opgewekte elektrische energie wordt opgeslagen in batterijen, ultracap s en brandstofcellen. Via deze energievoorraden wordt een DC-net in de woning gevoed. Denkende aan de DIN IEC 38 norm, lijkt het voorlopig logisch een DCspanning van 220 V voorop te stellen. Deze spanning is hoger dan wat men bij DC-voedingen in particuliere woningen (maar ook schepen, auto s, ) gewoonlijk beschouwt. Op die manier zijn de stromen en dus de joule-verliezen beperkter zodat niet het gevaar ontstaat dat de energiewinst, door het elimineren van de DC-AC-omzetters en AC-DComzetters, ongedaan gemaakt wordt. Toch moet gesteld worden dat de hierboven vermelde 220 V DC-spanning kritisch te bekijken valt. Een spanning van 300V (310 V) maakt ook een
kans. Het is de spanning aanwezig in de DC-tussenkring van een frequentieomvormer die de invertor voedt. Gewoon omdat invertoren (en andere apparaten) geschikt voor deze spanning op de markt aanwezig zijn, is een lokaal DC-net van 300V een kanshebber. CONCLUSIE AC-netten zullen in de praktijk niet zo snel verdwijnen als de bovenstaande tekst misschien laat vermoeden. Kleinschalige gedistribueerde energie-opwekking zal zijn plaats veroveren, en heeft dit al voor een stuk gedaan, maar ook de grootschalige gecentraliseerde elektrische energie-opwekking zal blijven bestaan. Naast het verbruik in particuliere woningen, is ook het elektrisch energieverbruik in de industrie erg belangrijk en daar zijn vaak erg grote vermogens vereist. De opkomst van de waterstofeconomie, met mooie mogelijkheden qua energieopslag, energietransport en energiedistributie zal de noodzaak aan hoogspanningsnetten en publieke elektriciteitsnetten niet doen verdwijnen. Wellicht zullen de waterstoftransportsystemen en de elektriciteitstransportsystemen naast elkaar bestaan. Toch is het een feit dat de opkomst van gedecentraliseerde energieopwekking via bijvoorbeeld fotovoltaïsche cellen voor een (r)evolutie in de elektrotechnische wereld kan zorgen. De strijd tussen de AC-netten en de DC-netten zou wel eens opnieuw kunnen losbarsten, en de kaarten liggen anders dan in het Edison- en het Tesla-tijdperk. Bron: Katholieke Hogeschool Brugge-Oostende Auteur: Joan Peuteman