|
// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js |
Zonnepanelen produceren gelijkstroom elektriciteit (“Direct Current” of DC) die in een typische zonne-installatie wordt omgezet naar wisselstroom elektriciteit (“Alternating Current” of AC). In veel elektrische apparaten wordt die wisselstroom vervolgens weer omgezet naar gelijkstroom. Bij deze dubbele omzetting gaat tot 30% van de elektriciteit verloren.
De keuze voor een gelijkstroom elektriciteitsnetwerk in een gebouw kan dit verlies elimineren, wat resulteert in een aanzienlijke besparing op de kapitaalkosten voor een fotovoltaïsche zonne-installatie. Helaas geldt dat voordeel in het geval van residentiële gebouwen alleen voor systemen met energieopslag, terwijl de meeste zonne-installaties nu aan het net gekoppeld zijn.
Illustratie: Thomas Edison was meer dan een eeuw geleden voorstander van gelijkstroom.
——————————————————————————————————–
|
// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js // http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js |
——————————————————————————————————–
Bij de opkomst van elektriciteit aan het einde van de negentiende eeuw ontstond een felle concurrentiestrijd tussen Thomas Edison en George Westinghouse. De eerste promootte het gebruik van gelijkstroom (DC), de tweede het gebruik van wisselstroom (AC). Westinghouse won de strijd, voornamelijk omdat wisselstroom efficiënter over lange afstanden kon worden getransporteerd.
Elektrisch vermogen (uitgedrukt in watt) is gelijk aan elektrische stroom (uitgedrukt in ampère) vermenigvuldigd met spanning (uitgedrukt in volt). Een bepaald vermogen kan worden geproduceerd door een lage spanning met een hoge stroom, of door een lage stroom met een hoge spanning.
Het energieverlies bij transport neemt echter toe met het kwadraat van de elektrische stroom. Dat betekent dus dat een hoge spanning de sleutel vormt tot een efficiënt transport van elektriciteit over langere afstanden.
Dankzij de uitvinding van de wisselstroom transformator op het einde van de negentiende eeuw kon de spanning worden opgevoerd voor efficiënt transport van elektriciteit. Vervolgens werd de elektriciteit door een andere transformator opnieuw naar een lagere spanning gebracht voor lokale distributie en gebruik in gebouwen.
Met gelijkstroom lukte dat niet. Bijgevolg impliceerde het systeem van Edison dat er in elke wijk een energiecentrale werd geplaatst. Dat was niet praktisch, aangezien energie werd opgewekt door steenkoolcentrales (die luchtvervuiling produceren) of waterkrachtcentrales (die meestal ver uit de stad liggen).
Waarom gelijkstroom weer interessant is
Meer dan honderd jaar later vormt wisselstroom nog steeds de basis van ons elektriciteitssysteem. Maar ondertussen is er wel het een en ander veranderd. Om te beginnen beschikken we vandaag de dag over decentrale energiebronnen die geen lokale luchtvervuiling produceren – fotovoltaïsche zonnepanelen.
Omdat de elektriciteit opgewekt door een zonnepaneel ter plaatse kan worden gebruikt, is er in principe geen transport van elektriciteit meer nodig. Bovendien produceren zonnepanelen “van nature uit” gelijkstroom, met een spanning van 12, 24 of 48 volt.
Ten tweede werken steeds meer apparaten intern op gelijkstroom. Dat geldt in de eerste plaats voor alle elektronica, zoals computers, televisies of LED’s. Maar ook steeds meer apparaten met een motor maken gebruik van gelijkstroom.
Tot slot kan de spanning van gelijkstroom dankzij de vooruitgang in vermogenselektronica nu net als wisselstroom eenvoudig worden opgevoerd of verminderd.
Foto: Steven Lek.
Het gebruik van wisselstroom is dus niet meer zo vanzelfsprekend als honderd jaar geleden, zeker niet als er ter plekke elektriciteit wordt opgewekt door zonnepanelen. Haalt Thomas Edison zijn slag alsnog thuis?
Voordelen van gelijkstroom
In de meeste zonne-installaties wordt de gelijkstroom van de zonnepanelen door een omvormer omgezet naar wisselstroom, die vervolgens opnieuw wordt omgezet naar gelijkstroom door de AC/DC-adapter van de verschillende elektrische apparaten. Bij deze dubbele omzetting gaat tot 30% van de energie verloren. [1] Dat energieverlies kan worden geëlimineerd als de elektriciteit in het gebouw niet via wisselstroom maar via gelijkstroom wordt verdeeld.
Aangezien een zonne-installatie geen brandstof verbruikt, vertaalt deze hogere efficiëntie zich in lagere investeringskosten: ten eerste zijn er minder zonnepanelen nodig om evenveel elektriciteit te produceren, en ten tweede is er geen omvormer nodig –- een relatief duur apparaat dat tenminste één keer moet worden vervangen tijdens de levensduur van de zonne-installatie.
Een minstens even belangrijk gevolg van de hogere efficiëntie is dat de productie van de zonne-installatie minder energie kost, wat belangrijk is om van fotovoltaïsche zonne-energie een duurzamere energiebron te maken, zeker in minder zonnige landen. Er moeten minder zonnepanelen worden geproduceerd (en geïnstalleerd), en er is geen omvormer nodig.
——————————————————————————————————–
Gelijkstroom vermindert de kapitaalkosten en de energie die nodig is om de zonne-installatie te produceren en te installeren
——————————————————————————————————–
Een bijkomend voordeel van elektriciteitsdistributie via gelijkstroom is dat elektrische toestellen geen adapter meer nodig hebben. Dat maakt apparaten eenvoudiger, goedkoper, compacter en betrouwbaarder. De elektronica voor de AC/DC-omzetting (die zich ofwel in het apparaat of erbuiten bevindt) is vaak de reden waarom een toestel kapot gaat. [2]
Bovendien neemt die elektronica heel wat plaats in. Bijvoorbeeld in een LED-lamp is ongeveer 40% van de elektronica op de printplaat gericht op de omzetting van wisselstroom naar gelijkstroom. [3]
Illustratie: de voeding voor een 35W LED lamp. [3] Alle onderdelen die nodig zijn voor de AC/DC omzetting zijn met een kader aangegeven.
Het gebruik van AC/DC-adapters heeft nog meer nadelen. Zo heeft elk apparaat een specifieke adapter, een commerciële strategie die de consument op kosten jaagt en voor heel wat extra elektronisch afval zorgt. Bovendien verbruikt een adapter ook energie als het apparaat niet werkt of zich in een slaaptoestand bevindt – het zogenaamde “sluipverbruik”.
Hoeveel energie kan er worden bespaard?
Helaas is de energiebesparing van een gelijkstroom elektriciteitsnetwerk niet vanzelfsprekend. Of en hoeveel energie er kan worden bespaard, hangt af van de volgende factoren: de omzettingsverliezen in de omvormer, de omzettingsverliezen in de AC/DC-adapters, de timing van het elektriciteitsverbruik, en de beschikbaarheid van energieopslag.
De meest voorspelbare factor is de efficiëntie van de omvormer. Het gaat slechts om één apparaat waarvan de efficiëntie vrijwel altijd minstens 90% bedraagt. (Fabrikanten adverteren een nog hogere efficiëntie maar die maximale efficiëntie wordt alleen gehaald bij een hoge belasting. Bij geringe belasting — een laag energieverbruik — kan de efficiëntie dalen tot 50%).
Heel anders is het gesteld met de efficiëntie van AC/DC-adapters. Ten eerste zijn er evenveel adapters als er apparaten in het gebouw zijn, en ten tweede variëert de efficiëntie van een adapter van minder dan 50% tot meer dan 90%. [1,4] Het totale energieverlies van de adapters verschilt dus alnaargelang het type apparaten dat wordt gebruikt –- en hoe ze worden gebruikt, want net zoals bij omvormers daalt de efficiëntie naarmate er minder energie wordt verbruikt (bijvoorbeeld in slaapstand).
AC Power Adapters. Picture by Johann H. Addicks, Wikipedia Commons.
De omzettingsverliezen voor adapters zijn het hoogst voor beeldrecorders (31%), stereo-installaties (21%), computers en hun randapparatuur (20%), herlaadbare gadgets (20%), LED-verlichting (18%) en moderne televisies (15%).
De veliezen zijn lager (10-13%) voor meer alledaagse apparaten zoals ventilators, koffiezetmachines, vaatwassers, broodroosters, verwarmingstoestellen, magnetrons, koelkasten, enzovoort. [14] Merk op dat deze cijfers betrekking hebben op de meest efficiënte apparaten op de markt, gebaseerd op de databases van Energy Star en 80Plus. [1]
——————————————————————————————————–
De energiebesparing hangt in grote mate af van welk type apparaten er wordt gebruikt
——————————————————————————————————–
Hoe meer computers, LED’s en andere apparatuur met hoge omzettingsverliezen wordt gebruikt, hoe groter het voordeel van een gelijkstroom netwerk. Kantoren zijn uitermate geschikt voor een gelijkstroomnetwerk, omdat computer-apparatuur en verlichting een groot aandeel van het elektriciteitsverbruik uitmaken. In supermarkten en winkels neemt verlichting dan weer een grote hap uit het energiebudget. [5]
Datacenters kunnen een forse vooruitgang in energie-efficiëntie boeken met gelijkstroom, zelfs als de elektriciteit niet van zonnepanelen maar van het lichtnet afkomstig is. In dat geval zit het efficiëntievoordeel in het centraal omzetten van AC naar DC, in plaats van in elk apparaat apart -– een grote adapter is veel efficiënter dan een kleine adapter. [3,4,5,6] (Daarbij moet wel worden opgemerkt dat een verhoogde efficiëntie in datacenters niet tot een energiebesparing leidt omdat de vraag naar data veel sneller stijgt).
In een residentieel gebouw is de besparing meestal kleiner, aangezien er een grotere diversiteit aan apparaten wordt gebruikt, inclusief veel apparaten met minder grote energieverliezen. Voorbeelden zijn wasmachines, koelkasten of keukenapparaten.
Uitwisseling van gelijkstroom elektriciteit met het lichtnet
Uitgaande van een energieverlies van 10% in de omvormer en een gemiddeld verlies van 15% voor alle AC/DC-adapters, zou je bij een overschakeling naar gelijkstroom elektriciteit een energiebesparing van 25% verwachten. Maar deze energiebesparing is alleen haalbaar in een “off-grid” zonne-installatie, waar elektriciteit lokaal wordt opgeslagen in batterijen.
Wisselt de zonne-installate elektriciteit uit met het stroomnet, dan wordt er opnieuw een dubbele energieomzetting geïntroduceerd. Produceert de zonne-installatie meer energie dan er ter plekke wordt verbruikt, dan moet de elektriciteit worden omgezet van gelijkstroom naar wisselstroom om compatibel te zijn met het lichtnet. Wordt er elektriciteit van het lichtnet gehaald omdat de lokale productie lager is dan de lokale vraag, dan moet elektriciteit worden omgezet van wisselstroom naar gelijkstroom.
De pieken in het huishoudelijk elektriciteitsverbruik doen zich voor als er geen of weinig zonne-energie wordt geproduceerd. De grafiek toont het huishoudelijk elektriciteitsverbruik in het Verenigd Koninkrijk. Bron: Daniel Godoy-Shimizu et al., 2014.
Dat betekent dat alleen het elektriciteitsverbruik dat samenvalt met de energieproductie kan profiteren van gelijkstroom. Die energie wordt immers niet naar het lichtnet verstuurd, maar ter plekke geconsumeerd, zonder energieverliezen.
——————————————————————————————————–
Alleen het elektriciteitsverbruik dat samenvalt met de elektriciteitsproductie kan profiteren van gelijkstroom
——————————————————————————————————–
Dit speelt opnieuw in de kaart van commerciële gebouwen, zoals supermarkten of kantoren, waar het energieverbruik meestal plaats vindt tussen negen uur ’s ochtends en zes uur ’s avonds. Maar in een doorsnee residentiëel gebouw wordt de meeste elektriciteit tijdens de week voor en na die tijd verbruikt, wanneer er geen of weinig directe zonne-energie voorhanden is. Daarom is het voordeel van een gelijkstroomnetwerk thuis eerder klein.
Een onderzoek in veertien Amerikaanse staten [7] kwam tot een gemiddelde energiebesparing van 5%, een onderzoek in Centaal-Europa [5] tot een besparing van 2%. Voor een aan het lichtnet gekoppelde zonne-installatie blijft bovendien een (bi-directionele) omvormer nodig, zodat er ook op dat vlak geen voordeel wordt gerealiseerd.
Gelijkstroom en het belang van energieopslag
Lokale energieopslag verhoogt het nut van een gelijkstroom netwerk in belangrijke mate, aangezien er geen wisselstroom meer aan te pas komt. Net als zonnepanelen leveren batterijen gelijkstroom, zodat er geen DC-AC-DC omzetting nodig is. Bovendien brengt een off-grid installatie een bijkomend voordeel met zich mee: er gaat geen energie verloren bij het transport van elektriciteit tussen de energiecentrale en het huis, een verlies dat in België en Nederland gemiddeld 4-5% bedraagt. (Het precieze percentage kan aanzienlijk verschillen per locatie).
Loodzuurbatterijen voor opslag van energie. Bron: Deepcycle battery store.
Helaas doet een off-grid zonne-installatie de eerder bereikte kostenbesparing voor zonnepanelen teniet, aangezien er in batterijen moet worden geïnvesteerd. Bovendien gaat er in een off-grid installatie energie verloren tijdens het laden en ontladen van de batterijen: dat verlies bedraagt 20-25% voor loodzuurbatterijen en ongeveer 10% voor lithium-ion batterijen. Bijgevolg blijft de timing van het energieverbruik belangrijk: hoe meer het elektriciteitsverbruik samenvalt met de elektriciteitsproductie, hoe groter de besparing.
——————————————————————————————————–
Een off-grid zonne-installatie doet de eerder bereikte kostenbesparing voor zonnepanelen teniet, aangezien er in batterijen moet worden geïnvesteerd
——————————————————————————————————–
Alles bij elkaar kan het voordeel van een gelijkstroomnetwerk dus aanzienlijk variëren alnaargelang de omstandigheden. Als alle elektriciteit overdag wordt verbruikt en de belasting voornamelijk bestaat uit computers en LED-verlichting (bijvoorbeeld in een kantoor), dan bedraagt de besparing op het elektriciteitsverbruik maximaal 35% (uitgaande van 30% besparing voor het elimineren van de DC-AC-DC omzetting, en 5% voor het elimineren van het verlies tijdens het transport).
Wordt alle elektriciteit tussen zonsondergang en zonsopgang verbruikt (bijvoorbeeld in een residentiëel gebouw waar de bewoners lange dagen uit huis werken), en bestaat de belasting uit diverse apparaten met een DC-AC-DC omzettingsverlies van 15%, dan bedraagt de besparing maximaal 15% in het geval van lithium-ion batterijen, en maximaal 0-5% in het geval van loodzuurbatterijen. Uiteraard zijn dit allebei hypothetische situaties, en ligt de werkelijke energiebesparing altijd tussen deze twee extremen in.
Gelijkstroom maakt off grid installaties duurzamer
Door de introductie van batterijen gaat het kostenvoordeel van een gelijkstroom netwerk verloren, maar hoe zit het dan met de ingebedde energie? De productie van batterijen kost ongeveer evenveel energie als de productie van zonnepanelen, dus het lijkt alsof er ook op dat vlak geen vooruitgang wordt geboekt. Maar dan zien we een belangrijk punt over het hoofd.
Studies die de energieproductiekost van aan het net gekoppelde zonne-installaties onderzoeken, houden helemaal geen rekening met het feit dat lokale tekorten worden aangevuld met elektriciteit van het stroomnet. Nochtans impliceert dat een backup van klassieke energiecentrales, waarvan het brandstofverbruik en de ingebedde energie mee in rekening moeten worden gebracht.
De energieproductiekost van een off grid zonne-installatie omvat daarentegen alle onderdelen van een autonoom energieproductiesysteem. Wat telt, is hoe een off-grid installatie met gelijkstroom zich verhoudt tot een off-grid installatie met wisselstroom, en in dat geval heeft gelijkstroom een duidelijk voordeel, zowel op het vlak van kosten als duurzaamheid: er zijn tot 30% minder zonnepanelen en batterijen nodig.
In het volgende artikel gaan we dieper in op de praktische kant van een autonome gelijkstroom zonne-installatie. Hoe pas je apparaten aan zodat ze op gelijkstroom werken, welke spanning kies je, hoe verdeel je de elektriciteit?
Kris De Decker
——————————————————————————————————–
BRONNEN
[1] Catalog of DC appliances and power systems (PDF), Karina Garbesi, Vagelis Vossos en Hongxia Shen, 2011
[2] Study and simulation of a DC microgrid with focus on efficiency, use of materials and economic constraints, Simon Willems & Wouter Aerts, 2013-14. Onderdeel van Project Gelijkspanning, Haagse Hogeschool.
[3] Direct Current supply grids for LED lighting, LED professional
[4] Comparison of cost and efficiency of DC versus AC in office buildings, Giuseppe Laudani, 2014
[5] DC building network and storage for BIPV integration, J. Hofer et al., CISBAT 2015, 2015
[6] DC microgrids and distribution systems: an overview. Ahmed T. Elsayed et al. In Electric Power Systems Research, 2015
[7] Energy savings from direct-DC in US residential buildings, Vagelis Vossos et al, in Energy and Buildings, 2014
——————————————————————————————————–
Meer artikels over zonne-energie:
- De Chinese zonnekas: een alternatief voor de glastuinbouw?
- De fruitmuur: stadslandbouw in de 17de eeuw
- Zonnepanelen: steeds goedkoper, maar ook minder duurzaam
- Batterijen maken van zonne-energie een energie-intensieve energiebron
- Draait de industrie straks op geconcentreerd zonlicht?
- Het dubbele dividend van lokale energie
——————————————————————————————————–
|
// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js |
www.lowtechmagazine.be 
Geef een reactie op Rudy Martens Reactie annuleren