211service.com
Edison's Revenge: The Rise of DC Power
In 1903 leidde Thomas Edison, als een laatste poging om gelijkstroom als standaard voor de distributie van elektriciteit in de Verenigde Staten te handhaven, een beruchte gebeurtenis voor die deels bedoeld was om het gevaar van wisselstroom aan te tonen: de elektrocutie van Topsy, een circusolifant beschouwd als een bedreiging voor de mens, door een AC-lading van 6.600 volt. De stunt van Edison was pure angstzaaierij (gelijkstroom is even gevaarlijk bij hoogspanning), en het faalde: ons net vandaag is voornamelijk AC.
Maar iets meer dan een eeuw na de ineenstorting van Topsy, ziet AC er steeds wankeler uit. Dankzij het toenemende stroomverbruik door allerlei soorten digitale apparaten, maakt gelijkstroom een comeback, dit keer op zijn eigen merites.
Alles dat transistors gebruikt, is afhankelijk van gelijkstroom, de stroom van elektriciteit in één richting. Dat verklaart waarom pc's, iPhones en flatscreen-tv's allemaal converterboxen hebben om de wisselstroom in wandcontactdozen (die 120 keer per seconde van richting omkeert) om te zetten in gelijkstroom.
Volgens Greg Reed, directeur van het Power & Energy Initiative aan de Universiteit van Pittsburgh, zijn dergelijke digitale consumentenapparaten goed voor tot wel een vijfde van het totale stroomverbruik. Reed zegt dat de steile groeicurve van gelijkstroom niet alleen te wijten is aan computers, maar ook aan de verspreiding van apparaten zoals LED's en zonnepanelen.
Binnen de komende 20 jaar zouden we zeker kunnen zien dat maar liefst 50 procent van onze totale belasting bestaat uit DC-verbruik, zegt hij. Het versnelt zelfs meer dan we hadden verwacht.
Met het groeiende aantal apparaten dat gelijkstroom genereert en gebruikt, biedt Reed een grote kans om energie te besparen. Door gelijkstroom naar gelijkstroomapparaten te distribueren in plaats van het onderweg om te zetten in wisselstroom, is het mogelijk om aanzienlijke energieverliezen te voorkomen die optreden telkens wanneer elektriciteit wordt omgezet.
Sommige elektronica-zware faciliteiten ontwikkelen nu all-DC microgrids om stroom te leveren aan gebruikers. Denk aan de plannen voor een DC-microgrid aan de Chinese universiteit van Xiamen, aangekondigd in maart. Een op zichzelf staand elektriciteitsnet zal drie campusgebouwen beslaan en een zonnepaneel van 150 kilowatt op het dak verbinden met LED-verlichtingssystemen en banken van computerservers.
De verspreiding van elektrische voertuigen zou DC nog belangrijker kunnen maken: elektrische auto's laden op gelijkstroom en hebben veel stroom nodig. Dragan Maksimovic, een expert in vermogenselektronica aan de Universiteit van Colorado in Boulder, schat dat autoladers op zonne-energie die zijn groep aan het ontwikkelen is, het stroomverlies moeten verminderen van 10 procent van wat de panelen produceren tot slechts 2 procent. Maksimovic werkt samen met Satcon, een fabrikant van stroomomvormers, en heeft financiering van de Hawaii Renewable Energy Development Venture; het team is van plan om dit voorjaar zonneladers te installeren in een resort op het Hawaiiaanse eiland Lanai.
Een andere drijfveer voor DC zijn de datacenters die internet en telecommunicatienetwerken beheren. Grote computerboerderijen verbruiken nu wereldwijd meer dan 1,3 procent van de elektriciteit en dat cijfer stijgt snel. Het binnenkomende vermogen is wisselstroom en moet worden omgezet. In plaats van stroomomvormers op elke computer te hebben, installeren sommige bedrijven grote gecentraliseerde omvormers en distribueren ze 380 volt gelijkstroom over hun serverparken. De Japanse telecomgigant NTT heeft vier datacenters in de regio Tokio die op DC werken; vorig jaar voltooide het een DC-gebaseerd servercentrum in Atsugi City, ten zuidwesten van Tokio, dat als eerste externe klanten bedient.
Energiebesparingen worden grotendeels bereikt door de AC-naar-DC-converters die op afzonderlijke servers zijn aangesloten te vervangen door efficiëntere gecentraliseerde omvormers. Door die overstap te maken en AC-DC-converters op batterijback-upsystemen te elimineren, wordt het stroomverbruik met 15 procent verlaagd in vergelijking met conventionele AC-configuraties, volgens Keiichi Hirose, senior research engineer bij NTT Facilities in Tokio. Intel heeft de jaarlijkse energiebesparing voor een middelgroot datacenter in de VS geschat op $ 1,2 miljoen, en de waarde zou aanzienlijk hoger moeten zijn in Japan en Europa, waar de stroomprijzen hoger zijn.
Ook aanslaand zijn DC-verlichtingscircuits. Emerge Alliance, een consortium gevestigd in San Ramon, Californië, dat pleit voor gelijkstroomdistributie in commerciële gebouwen, heeft een norm opgesteld voor 24-volt DC-plafondcircuits en zegt dat het gebruik van LED-plafondlampen op DC-lijnen tot 15 procent minder energie verbruikt dan het doen van de AC-naar-DC-schakelaar in de armaturen. Emerge werkt er nu aan om gelijkstroom naar de desktops van werknemers te brengen, zodat ze computers of telefoons kunnen aansluiten zonder dat er hot-running converterboxen nodig zijn.
Zal de DC-opstand zich buiten gebouwen verspreiden om de grotere lijnen over te nemen die buurten, steden en daarbuiten voeden, zoals Edison ooit had gehoopt? Veel power experts zijn sceptisch. Wisselstroom is de standaard voor het transporteren van elektriciteit over het net, en veel apparaten, zoals elektromotoren, lenen zich voor wisselstroom. Ik denk niet dat er een grootschalige transformatie van het stroomsysteem naar gelijkstroom zal plaatsvinden, zegt Maksimovic van UC Boulder.
Maar anderen, zoals Reed, zien een overname door DC als onvermijdelijk. Hij merkt op dat transmissielijnen in toenemende mate gebruik maken van gelijkstroom, omdat hoogspannings-gelijkstroomlijnen (HVDC-lijnen) gemakkelijker te controleren zijn en minder verliezen hebben dan wisselstroomlijnen. Langeafstandslijnen zijn vaak de sleutel tot het aanboren van hernieuwbare bronnen die zich ver van energiebehoeftige steden bevinden, zoals wind- en zonne-energie.
Door de distributie van gelijkstroom aan de boven- en onderkant van de elektrische voedselketen uit te breiden, ontstaat er een kans om de kloof met de regionale distributie in gelijkstroom te dichten, precies zoals Edison zich ooit had voorgesteld. Reed merkt op dat het omzetten van hoogspanningswisselstroom in 120 volt voor huishoudelijk gebruik leidt tot verliezen die ongeveer 5 procent hoger zijn dan bij vergelijkbare gelijkstroomsystemen. Als je aan de ene kant HVDC en aan de andere kant DC-verbruik hebt, wordt dat een enabler voor middenspannings-DC ertussen, zegt hij.
Met zulke besparingen voorspelt Reed dat de eerste directe levering van gelijkstroom van hoogspanningslijnen aan eindgebruikers misschien niet zo ver weg zal zijn, vooral in snel ontwikkelende economieën die nieuwe energie-infrastructuur aan het bouwen zijn. Ik denk dat we hier binnen tien jaar zijn, zegt hij, en binnen drie tot vijf jaar in China.