De hernieuwde opkomst van gelijkspanning

De laatste jaren van de 19e eeuw werden gekenmerkt door een felle strijd om de beste distributiemethode voor elektriciteit, waarbij gelijkstroom (gepromoot door Thomas Edison) en wisselstroom (gepromoot door Nikola Tesla en George Westinghouse) tegenover elkaar stonden. Uiteindelijk won, toen geheel terecht, wisselstroom, dat sindsdien de wereld domineert.

Het verhaal had hiermee kunnen stoppen, maar twee factoren beslisten anders. Enerzijds bleek gelijkstroom opmerkelijk efficiënt voor de overdracht van elektriciteit over lange afstanden met hoge spanning – inmiddels wordt hoogspanningsgelijkstroom (HVDC) al tientallen jaren toegepast. Anderzijds maken we gebruik van steeds meer elektrische apparaten die voorzien zijn van vermogenselektronica. Vermogenselektronica werkt op gelijkstroom: mobiele telefoons, ledverlichting, elektrische voertuigen, enz.

Dit leidt tot een herwaardering van gelijkstroom voor transmissie, distributie en zelfs het eindverbruik door elektriciteitsgebruikers. Hoe ziet dit er in de praktijk uit?

Transmissie met gelijkspanning

Transmissie is de grootschalige overdracht van elektrische energie, meestal over lange afstanden. Dit wordt gedaan door middel van bovengrondse of ondergrondse (of onderzeese) kabels. Het gebruik van hoogspanningsgelijkstroom (HVDC, high-voltage direct current) voor het transport van elektriciteit heeft een aantal voordelen ten opzichte van hoogspanningswisselstroom.

Om te beginnen heeft HVDC minder materiaal nodig: slechts twee geleiders in plaats van drie bij wisselstroom. Vervolgens is het elektrische verlies minder bij gelijkstroom omdat alleen het actieve vermogen wordt overgedragen (terwijl wisselstroom zowel het actieve als het reactieve vermogen overdraagt). Ten slotte is de mogelijke lengte van de transportverbindingen bij gelijkstroom veel groter door het gebrek aan reactief vermogen en het ontbreken van een faseverschuiving tussen spanning en stroom.

HVDC is een beproefde technologie die zich steeds verder ontwikkelt. Recente ontwikkelingen omvatten onder meer de VSC-converter (Voltage Sourced Converter)  en de toename van de kabeltransportcapaciteit. Deze vooruitgang is te danken aan de toename van de spanningen, de bedrijfstemperaturen en de doorsnede van de geleiders en de komst van extrusietechnologie. De ecologische voetafdruk en de kostprijs van HVDC-projecten ten opzichte van de overgedragen energie verminderen hierdoor. Kortom, HVDC-transport wordt veel interessanter.

De stralende toekomst van HVDC

Twee grote markttrends liggen aan de basis van de hernieuwde belangstelling voor HVDC-transport. De eerste is de toenemende vraag naar interconnectie van elektriciteitsnetwerken over grenzen en oceanen. De tweede heeft te maken met de toename van offshore windparken, met hun onderzeese kabels richting land.

Tot op heden zijn er ongeveer 15.000 km HVDC-onderzeese kabels aangelegd, waarbij gebruik wordt gemaakt van materiaalimpregnering (IM) of XLPE-extrusie (vernet polyethyleen). Tegen 2030 moet nog eens 20.000 km aan HVDC-interconnectoren worden uitgerold, exclusief de exportkabels van offshore windparken. Verwacht wordt dat het aantal geïnstalleerde geëxtrudeerde kabels tot het einde van dit decennium zal uitbreiden en dezelfde lengte zal hebben als de IM-kabels. De fabrikanten van onderzeese HVDC-kabels positioneren zich op deze markt door te investeren in de uitbreiding van hun productie- en installatiecapaciteit[1].

[1] https://www.4coffshore.com/

Kan gelijkstroom ook gebruikt worden voor distributie ?

De distributienetten voor middenspanning (MS) en laagspanning (LS) en de stroomnetten binnen gebouwen worden al lang gedomineerd door wisselstroom. De geleidelijke overgang naar gelijkstroom – via de ontwikkeling van de LS- en MS-microgrids – kan tot energiebesparing leiden, de interoperabiliteit verbeteren, de integratie van hernieuwbare energie faciliteren, de betrouwbaarheid verhogen en de duurzaamheid verhogen.

De belangstelling voor gelijkstroom-microgrids wordt aangewakkerd door fundamentele veranderingen in de wijze waarop elektriciteit wordt geproduceerd, opgeslagen en verbruikt.

Ten eerste wordt de elektriciteitsproductie steeds minder gecentraliseerd en komt deze steeds dichter in de buurt te liggen van de bron van vraag, zoals zonnepanelen op daken en kleine windmolens. Zonnepanelen produceren op natuurlijke wijze gelijkstroom, net als sommige microwindturbines. Ook wordt de energievoorziening steeds vaker bi-directioneel. Stroom kan overal vandaan komen, uit het net, een batterij, van het eigen dak enzovoorts.

Ten tweede worden batterijen algemeen gebruikt voor de opslag van elektriciteit, bijvoorbeeld in omvormers. Bedrijven gebruiken ze, met name bij datacenters, om hun energievoorziening veilig te stellen. Batterij-opslagsystemen (BESS, Battery Energy Storage Systems) worden ook steeds meer ingezet om netwerken in evenwicht te brengen. Bovendien komen dergelijke systemen ook beschikbaar voor huishoudelijk gebruik. Vooral de batterijen van elektrische voertuigen kunnen potentieel geïntegreerd worden in het net. Een belangrijk aspect van batterij-opslagsystemen is dat het grootste deel verdeeld is in plaats van gecentraliseerd, en dat alles op gelijkstroom werkt.

Ten derde zijn er op het vlak van het verbruik tegenwoordig heel wat gelijkstroomvoorzieningen. Zoals eerder al benadrukt, is het gebruik van vermogenselektronica en dus gelijkstroom in volle gang: smartphones, ledlampen, elektrische voertuigen... Tot nu toe zijn ze daarbij allemaal afhankelijk van een (on)zichtbare adapter.

Allemaal factoren die een gunstige voedingsbodem creëren voor gelijkstroom-microgrids die productie en verbruik verenigen, inclusief batterij-opslag en gebruik in elektrische voertuigen. Een van de voordelen van deze configuratie is dat conversie van wissel- naar gelijkstroom, en dus een adapter, niet meer nodig zijn, wat alleen al tot energiebesparing en minder grondstofgebruik leidt.

Hoe bevordert Nexans gelijkstroom?

Nexans is marktleider voor onderzeese HVDC-kabels en investeert voortdurend in de ontwikkeling van zijn productie- en inzetcapaciteiten. In 2021 bouwden we het Nexans Aurora, het meest geavanceerde kabelschip ter wereld. De Groep is in een uitstekende positie om tegemoet te komen aan de toekomstige behoeften van aanbieders van transportnetwerken en ontwikkelaars van windmolenparken. 

Terwijl HVDC de komende jaren blijft groeien, zouden DC microgrids op midden- en laagspanning de volgende stap zijn. Om technisch levensvatbaar te zijn zullen geoptimaliseerde kabels, accessoires en connectoren ontwikkeld moeten worden. De microgrids zullen moeten voldoen aan alle eisen inzake betrouwbaarheid, energie-efficiëntie, duurzaamheid en veiligheid.