HomeShare
Magazine

Een pleidooi voor gelijkstroom in woningen en bedrijfsgebouwen

Om historische redenen transporteert het elektriciteitsnet wisselstroom en dus is de bekabeling van de meeste gebouwen afgestemd op wisselstroom.

Scroll

Toch verbruiken de toestellen in woningen en bedrijven vooral gelijkstroom, tot twee derde van het totale verbruik. Terwijl ook de lokale energieproductie en -opslag - zonnepanelen en batterijen - op gelijkstroom werkt. Is het dan niet zinvol om gebouwen uit te rusten met een lokaal gelijkstroomnet? Imec besteedde een hele namiddag van zijn Imec Technology Forum 2017 Belgium-conferentie aan deze kwestie. Gastsprekers uit onderzoek en industrie pleitten voor een radicale omschakeling naar nanonetwerken op gelijkstroom in woningen en bedrijfsgebouwen.

Waarom wij een wisselstroomnetwerk gebruiken en waarom gelijkstroom beter zou zijn

Aan het einde van de 19e eeuw ontstond er een hevige discussie tussen Nicola Tesla en Thomas Edison en hun respectieve medestanders en financiers. Deze zogeheten “Oorlog van de stromen” bepaalt nog steeds hoe onze stroomnetwerken functioneren. De kwestie die beide kampen verdeelde, ging vooral over de stroomdistributie. Tesla verdedigde het transport over grotere afstanden via hoogspanningsnetwerken met wisselstroom, Edison vond het beter om lokaal, dichtbij de verbruikspunten, gelijkstroom op te wekken.

Er werden toen zowel wisselstroom- als gelijkstroomsystemen ontwikkeld, maar aan gelijkstroom bleken een aantal nadelen te kleven, vooral voor een efficiënte elektriciteitsdistributie over lange afstanden. En dus viel de keuze uiteindelijk op de wisselstroomtechnologie, met elektrische stroom die periodiek van richting verandert. Tesla won en daarvan dragen wij nog altijd de gevolgen: het elektriciteitsnet transporteert wisselstroom naar onze gebouwen en uiteindelijk naar elk stopcontact.

Professor Johan Driesen van de KU Leuven en EnergyVille wees erop dat het elektriciteitslandschap nu ingrijpend verandert, waardoor gelijkstroom nieuwe kansen krijgt. “De opkomst van ledverlichting, die op gelijkstroom werkt, was in dit opzicht doorslaggevend. Bovendien vindt er een niet te stoppen evolutie naar meer lokale stroomopwekking plaats, vooral via zonnepanelen op daken, die gelijkstroom produceren. De lokale stroomproductie wordt efficiënter door lokale energieopslag in batterijen, ook weer met gelijkstroom. Tel daar nog een berg huishoudtoestellen bij op die allemaal gelijkstroom nodig hebben: laptops, airco, koelkasten en alle apparaten op batterijen.”

Dat leidt onvermijdelijk tot de vraag waarom we geen lokale gelijkstroomnetten zouden opzetten in woningen, bedrijfsgebouwen en zelfs industriële sites.

Johan Driesen: “Wij hebben een model ontwikkeld om de kosten te vergelijken tussen gebouwen met gelijk- en wisselstroom, gebouwen die uitgerust zijn met zonnepanelen en batterijopslag. In het wisselstroomgebouw zijn alle toestellen, maar ook de zonnepanelen en de batterij, apart aangesloten via wisselstroom-gelijkstroomomvormers. In het gelijkstroomgebouw functioneren er alleen gelijkstroom-gelijkstroomomvormers en één enkele wisselstroom-gelijkstroomomvormer voor de aansluiting aan het stroomnet. Het model leerde ons dat een gelijkstroomnet in een woning tot 35% minder investeringen vergt en het elektriciteitsverbruik met 10% vermindert. Lokale nanonetwerken op gelijkstroom zijn dus beslist zinvol, zowel financieel als qua duurzaamheid.”

Ook Marija Zima, groepsleider power & energy systems bij ABB Switzerland, deelt die mening: “Woningen en auto’s nemen een groot deel van het energieverbruik voor hun rekening. Door technologische doorbraken op deze twee domeinen zal het percentage native-gelijkstroomapparaten blijven toenemen. Deze technische uitdaging moeten wij nu al aangaan.”

Hoe bereiden wij de wereld voor op nanonetwerken op gelijkstroom?

“Het idee om onze gebouwen uit te rusten met nanonetwerken op gelijkstroom is vrij recent,” zegt professor Jef Poortmans, die eveneens verbonden is aan de KU Leuven en Energyville. “Wij moeten dit idee nu onderbouwen met onderzoek en experimenten. Daarom hebben wij van nanonetwerken op gelijkstroom één van de speerpunten van EnergyVille gemaakt, één van de uitgebreidste samenwerkingsprojecten op energiegebied in Europa. Binnen EnergyVille werken de Vlaamse onderzoeksinstituten KU Leuven, VITO, imec en UHasselt nauw samen aan duurzame energie en slimme energiesystemen. Onze onderzoekers stellen hun expertise ter beschikking van bedrijven en overheden. Het is de bedoeling om te evolueren naar energie-efficiënte gebouwen en slimme netwerken voor een duurzame stedelijke omgeving. Slimme elektriciteitsnetwerken en geavanceerde wijkverwarming en -koeling horen daar zeker bij.”

Maar om een echte transformatie te organiseren heb je meer nodig dan beschikbare en geoptimaliseerde technologie, zegt Paul Mathijs. Hij is CEO van Niko, een marktleider in innovatieve en slimme stopcontacten, schakelaars en woningautomatisering. Hij weet wat er nodig is vóór consumenten een nieuw idee aanvaarden. “Uiteindelijk moeten mensen zoals jij en ik de rekening betalen. En dat doen ze alleen maar als er persoonlijke voordelen voor hen inzitten.”

“Wij hebben dringend transnationale normen nodig,” verzekerde hij, “zodat early adopters niet vastzitten aan keuzes die achteraf verkeerd blijken te zijn. Bedrijven en onderzoeksinstellingen moeten ook een taal hanteren waarin de gebruiker centraal staat. Je moet consumenten niet om de oren slaan met termen als netwerkbalancering en omvormerverliezen. Wij moeten integendeel bewijzen dat een gelijkstroomnet extra comfort oplevert, voordeliger is en het leven eenvoudiger maakt. Wil je een voorbeeld van hoe het niet moet? Kijk dan naar de huidige invoering van slimme elektriciteitsmeters, met meerdere normen en een vaag economisch plaatje voor de consument.”

Wat moet er technologisch nog veranderen?

ITF is een technologieforum en dus gingen diverse sprekers in op de technologische mogelijkheden voor toekomstige thuisnetwerken.

Bart Onsia, innovation program manager Flanders bij imec, vroeg zich af hoe de productie van zonne-energie nog veel meer in gebouwen kan worden geïntegreerd: “Als we het CO2-niveau willen verlagen, terwijl de elektriciteitsvraag stijgt, dan hebben we een veel efficiëntere zonnetechnologie nodig, op grotere schaal. En aangezien 40% van de elektriciteit in gebouwen wordt verbruikt, moet daar ook zonne-energie worden opgewekt.”

Bart Onsia brak een lans voor zonnetechnologie die deel uitmaakt van het gebouw zelf. Dus niet langer alleen maar panelen op het dak, maar ook op verticale gevels en oppervlakken die naar het oosten en het westen zijn gericht. Hij presenteerde technologieën die in aanmerking komen voor massaproductie en zich tegelijk lenen voor maatwerk. Hij had het over geweven stoffen die cellen met elkaar verbinden tot modules met variabele afmetingen, semi-transparante dunnefilmtechnologieën en slim bedrade modules die geen moeite hebben met schaduw. Al deze technologieën werden bij imec onderzocht en ontwikkeld en zijn nu klaar voor industriële toepassingen.

Matthias Strobbe (senior researcher bij imec – IDlab – UGent) nam een kijkje in onze gebouwen. Hij vroeg zich af waarom het zo slecht is gesteld met de interoperabiliteit van slimme producten voor onze woningen. In zijn “slimmewoninglab” kunnen onderzoekers apparaten testen, middleware voor interoperabiliteit ontwikkelen en consumentengedrag in kaart brengen.

Peter Coenen, senior expert bij VITO en EnergyVille, had het over batterijopslag en waarom systemen voor slim batterijbeheer moeten worden ontwikkeld en toegepast. “Er is behoefte aan beter batterijbeheer, met aspecten zoals monitoring van laadniveau en -tijd, inzicht in de gezondheidstoestand van elke batterij apart uitbalancering van batterijen in een array.”

Ook Joff Derluyn nam het woord, de CTO van EpiGaN, een spin-off van imec die substraten in galliumnitride (GaN) voor vermogenelektronica ontwikkelt. De toekomst van de stroomnetten zal afhangen van de efficiëntie van de vermogenelektronica, met name de omvormers. En die efficiëntie wordt ook bepaald door de gebruikte materialen.

“GaN is voor deze taak veel beter geschikt dan silicium, maar het is ook veel duurder. Daarom ontwikkelt EpiGaN een compromis: GaN dat is afgezet op een voordeliger siliciumsubstraat. Omvormers die met deze wafers zijn gemaakt, zullen niet alleen efficiënter werken, maar ook bij hogere temperaturen. Ze maken een hogere stroomdensiteit mogelijk en halen een hogere schakelsnelheid. De omvormers kunnen daardoor veel kleiner worden dan vandaag het geval is.”

Edison@Home – in een bioscoop in jouw buurt?

“Er zijn nu meer redenen dan ooit om terug te grijpen naar het oorspronkelijke voorstel van Edison voor lokale gelijkstroomnetten,” zegt Johan Driesen. “Maar voor het zover is, moeten nog een aantal punten worden opgehelderd. Zijn unipolaire of bipolaire kabels beter? Welke spanning verdient de voorkeur? Om deze opties te testen, installeren wij momenteel een nanonetwerk voor gelijkstroom in een van onze EnergyVille-gebouwen. Voor de stroomvoorziening zorgen zonnepanelen, de energie wordt opgeslagen in een batterij, het stroomnet is van het bipolaire type met 4 aders en de spanning is aanpasbaar.”

En voor wie niet kan wachten om de “Oorlog van de stromen” opnieuw te beleven, is er nu een film!

Johan Driessen: “De hele discussie komt aan bod, met Benedict Cumberbatch als Thomas Edison en Nicholas Hoult als Nikola Tesla. Binnenkort in een bioscoop in jouw buurt!"

Over ITF

ITF Belgium is de toonaangevende editie van de wereldwijde reeks Imec Technology Forums. Elk jaar komen experts en visionairs uit de hele wereld bij elkaar om tijdens een tweedaags evenement de technologietoekomst te schetsen en te bespreken hoe technologische innovatie naar de markt kan worden gebracht.

Gerelateerd

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over.

Accepteer cookies