‘Spannende tijden achter het stopcontact: gelijkspanning als onbekend puzzelstuk van de energietransitie’

Voor de Universiteit Van Vlaanderen staat Jolien Despeghel stil bij de toepassingen van gelijkstroom in de strijd tegen de klimaatverandering.

Al sinds mijn kindertijd heb ik een interesse voor het klimaat, en ik deel dan ook de bezorgdheid van Greta Thunberg over de klimaatcrisis waar we volop inzitten. Daarom vind ik het belangrijk om als onderzoeker ook mijn bijdrage te kunnen leveren. Mijn nieuwsgierigheid naar de werking van de wereld is de drijfveer in mijn zoektocht naar oplossingen. Een van de grootste uitdagingen is vandaag het verlagen van onze broeikasgasemissies. In de context van de energietransitie betekent dit een verregaande elektrificatie en het terugdringen van het gebruik van fossiele brandstoffen. De voor de hand liggende oplossingen die in deze context vaak worden aangehaald, zijn de vergroening van onze elektriciteitsproductie door middel van hernieuwbare energie. De bekendste voorbeelden zijn windturbines en zonnepanelen, maar de eigenlijke ruggengraat van ons elektriciteitssysteem heeft tot nu toe minder aandacht gekregen. Terwijl deze alle energieproducenten, zowel lokaal en kleinschalig, als centraal en grootschalig, met verbruikers verbindt. Momenteel bestaat deze ruggengraat uit een netwerk op wisselspanning. Door over te schakelen van een netwerk op wisselspanning naar een netwerk op gelijkspanning kunnen we zowel de verliezen als het aantal componenten in het systeem verminderen. Dit maakt uiteindelijk een goedkoper en eenvoudiger energiesysteem mogelijk.

Dankzij mijn werk als onderzoeker sta ik middenin de uitdaging die de energietransitie stelt. Samen met mijn collega’s onderzoeken we hoe we onze bestaande energiesystemen kunnen optimaliseren met het oog op een geslaagde energietransitie en dit van het huishoudelijk niveau op laagspanning tot het transmissieniveau op hoogspanning.

Zelf heb ik me toegespitst op het huishoudelijk niveau met zonnepanelen en batterijen en onderzoek ik hoe we deze het best kunnen aansluiten. Zowel de batterij als de zonnepanelen werken op gelijkspanning (DC), maar onze woning is aangesloten op het wisselspanningsnet (AC). Daarom zijn er twee mogelijke ruggengraten of configuraties mogelijk: een AC- of een DC-gekoppeld systeem. Bij het AC-gekoppelde systeem worden de batterij en de zonnepanelen onafhankelijk van elkaar op het wisselspanningsnet aangesloten door middel van een omvormer. Deze omvormer zet de gelijkspanning om naar wisselspanning. Bij het DC-gekoppeld systeem worden de batterij en de zonnepanelen eerst op een gemeenschappelijk DC punt aangesloten, in het vakjargon noemen we dit een “DC-bus”, voor een omvormer deze met het wisselspanningsnet verbindt. Dit laatste systeem kan je beschouwen als een kleinschalig netwerk op gelijkspanning dat de opwekking van de zonnepanelen verbindt met de opslag van de batterijen. De grootste voordelen hiervan zijn dat er minder energieverlies is en dat er minder componenten nodig zijn. Dit zorgt ervoor dat de oplossing goedkoper wordt en ook dat er minder kans is op defecte onderdelen.

Naast batterijen en zonnepanelen zijn er ook een heel aantal huishoudelijke verbruikers die tegenwoordig op gelijkspanning werken. Denk maar aan al de IT die we gebruiken: smartphones, tablets, laptops… Om deze toestellen van stroom te voorzien gebruiken we telkens een oplader die een omvormer bevat om de wisselspanning om te zetten naar gelijkspanning. Naast deze verbruikers zijn er misschien nog andere waar er niet snel wordt bij stilgestaan. Zoals bijvoorbeeld wat er onder de behuizing van een tv, printer en kookplaat of zelfs een koelkast te vinden is. Deze toestellen werken namelijk intern op DC, maar bevatten een omvormer om de wisselspanning uit het stopcontact om te zetten naar gelijkspanning. Hetzelfde geldt voor de alomtegenwoordige LED verlichting. In de toekomst zal de lijst met verbruikers op gelijkspanning alleen maar toenemen. Deze stijging is onder andere het gevolg van de elektrificatie van ons wagenpark en onze warmtevoorziening, denk maar aan laadpalen voor elektrische voertuigen of warmtepompen in woningen.

De toepassing van het DC-gekoppelde systeem dat de zonnepanelen en batterijen via een netwerk van gelijkspanning met elkaar verbindt, kan worden opgeschaald naar het volledige huis en de vele verbruikers die nu reeds intern op gelijkspanning werken. Door deze verbruikers rechtstreeks op een lokaal gelijkspanningsnetwerk aan te sluiten, is een grote lader voor de laptop niet meer nodig, maar volstaat slechts een kabel met een kleine eenvoudige omvormer die de aanwezige gelijkspanning omzet naar een spanningsniveau dat compatibel is met het toestel. Op deze manier is het mogelijk om elektronica op een efficiëntere manier op te laden. Daarnaast kunnen de huishoudelijke toestellen op een gelijkaardige manier herontworpen worden zodat er geen interne omvormer meer nodig is. Ook de LED-verlichting zou dan, mits een kleine omvormer, rechtstreeks worden aangesloten. Hetzelfde geldt voor de laadpaal die de gegenereerde gelijkspanning dan rechtstreeks via het DC-netwerk aan de elektrische wagen kan leveren. Dit levert een besparing op omdat er minder componenten nodig zijn.

Veel van onze gebruikte elektriciteit wordt vandaag nog steeds centraal opgewekt. Om deze centraal opgewekte wisselspanning om te zetten naar gelijkspanning zijn er meerdere scenario’s mogelijk. Een eerste scenario is dat er één centrale omvormer is die de wisselspanning die in het huis binnenkomt omzet van wisselspanning naar gelijkspanning. Een tweede mogelijkheid is dat er een omvormer is per straat en huizen onderling verbonden zijn met een gelijkspanningsnetwerk. Deze laatste optie is interessant wanneer we in de toekomst zouden evolueren naar lokale energiegemeenschappen waar onderling opgewekte energie kan worden uitgewisseld, al dan niet met tussentijdse opslag in batterijen.

Toch zijn er nog enkele hordes te nemen voordat gelijkspanning kan worden uitgerold op het huishoudelijke en laagspanningsniveau. Een eerste aspect is het spanningsniveau. Voor wisselspanning ligt deze vast op 230 V. Voor gelijkspanning is het meest geschikte spanningsniveau nog voorwerp van lopend onderzoek. Voor residentiële toepassingen gaat de voorkeur tot nu toe uit naar een spanning tussen 350 en 400V. Een tweede belangrijke aspect is de veiligheid van de elektriciteitsinstallatie. De geschikte beveiliging van de installatie moet aanwezig zijn om fouten te kunnen detecteren en op te lossen. Zo kunnen zowel mensen, toestellen als de woning optimaal beschermd worden. Bij AC-installaties hebben we hier al decennialang ervaring mee. Voor DC-installaties is dit nog een grote uitdaging waarvoor een andere aanpak nodig is om een fout te detecteren. Bij AC-installaties kan een overbelasting of kortsluiting geïdentificeerd worden door de zekeringen in de zekeringenkast. Ditzelfde principe wordt nu in onderzoek vertaald naar de beveiliging van DC-installaties.

Vandaag worden producenten en verbruikers verbonden met wisselspanning. Dit doen we al een kleine eeuw op dezelfde manier, maar de opwekking en de opslag van energie gebeurt meer en meer lokaal op gelijkspanning. Daarnaast zijn er ook meer verbruikers op gelijkspanning. Het is tijd om stil te staan bij deze nieuwe verbruikers en wat er onder de behuizing van onze (oude) elektrische toestellen schuilgaat. Net zoals je bij een elektrische wagen niet ziet dat deze elektrisch is en intern op gelijksspanning werkt, zijn er ook andere toestellen die zonder dat we het weten op gelijkspanning werken. Daarom is het belangrijk om gelijkspanning mee te nemen als mogelijke ruggengraat van het nieuwe elektrische tijdperk en te onderzoeken waar in het netwerk dit het meest geschikt is zodat deze de energietransitie mee kan ondersteunen. Door lokale opwekking, opslag en verbruik met elkaar te verbinden op gelijkspanning kunnen we het energiesysteem goedkoper en eenvoudiger maken en de lokale opwekking en nieuwe verbruikers op gelijkspanning met open armen ontvangen.

Jolien Despeghel is doctoraatstudent aan de KULeuven/EnergyVille en onderzoekt hoe zonnepanelen en batterijen optimaal kunnen worden ingezet voor huishoudelijke gebruikers.