Aanleiding
In een duurzame toekomst, na de energietransitie, wordt heel veel duurzame elektriciteit opgewekt. Deze energie moet getransporteerd of gedistribueerd worden naar lokale gebruikers. Nu gebeurt dat vanaf enkele grote centrales naar heel veel aansluitingen, dus top down. In de toekomst wordt de energie opgewekt op een heleboel plekken in het net die daar nu niet voor gemaakt zijn. Kolen- en gascentrales produceren een continue hoeveelheid die planbaar is. Duurzame opwekking is veel fluctuerender dus onvoorspelbaar. Daarmee zal er op veel plekken in het net veel meer energie worden aangeboden dan nu opvangbaar is in het huidige net. Om deze lokaal grote hoeveelheid energie te kunnen gebruiken op andere plekken dan waar opgewekt, moet in de toekomst het elektriciteitsnet uitgebreid worden = dit is netverzwaring.
Netverzwaring toegelicht
Netverzwaring betekent in de praktijk, meer koper in de grond en grotere transformatoren die meer energie kunnen transformeren. Dikkere leidingen en grotere transformatoren zijn nodig om de gevraagde hoeveelheden vermogen én energie te kunnen verwerken. Ramingen voor de kosten van deze netverzwaring lopen sterk uiteen. netbeheerders zelf ramen tussen dat € 20 miljard tot 70 miljard. (bron = rapport van ECN over netbeheer NL).
Ter illustratie van de kosten; Het totale aardgasnet heeft een capaciteit (kan een vermogen leveren) van ruim 300 GW; het huidige elektrische transmissie- en distributienet heeft een capaciteit van ruim 36 GW. Dat scheelt bijna een factor tien. Het geheel ‘van het gas af’ gaan, zou een verzwaring van het elektriciteitsnet vragen van minimaal een factor zeven of acht. Dat betekent dat alle leidingen van groot tot klein minstens zeven keer zo zwaar moeten worden dan ze nu zijn. Vandaar het enorme bedrag aan kosten voor netverzwaring dat de netbeheerders ramen.
De impact van netverzwaring
Waarom is het voeren van een discussie over netverzwaring belangrijk? Er is veel weerstanden tegen en er zijn ook belemmeringen voor deze netverzwaring, zoals kosten, beschikbare ruimte voor transformatorstations in binnenstad / gebouwde omgeving en hinder van werkzaamheden (wegopbrekingen). Er zijn heel veel gevolgen van deze netverzwaring.
Een achterliggend knelpunt in deze discussie over netverzwaring is de discussie over de noodzaak van netverzwaring. De werkelijke noodzaak kan je vergelijken met het uitbreiden van de A2 naar 20 rijstroken, omdat dat nodig is voor 10 minuten per jaar dat er een enorm verkeersaanbod is. Want alleen de piekmomenten vragen om de extreme omvang van het net.
Netverzwaring beperken loont dus?!
Er zijn enkele manieren om de noodzaak van netverzwaring terug te brengen. De voornaamste noemer is ‘Smart Grids’ of slimme netten. In een Smart Grid wordt vraag en aanbod van energie slimmer op elkaar afgestemd; zie ook… (verwijzing naar andere plek op onze website)
Een andere oplossing is een eenvoudige maatregel die ook zelfstandig geïmplementeerd kan worden, namelijk het tijdelijk terugschroeven van opwek-capaciteit. zodat de piek op het net kleiner wordt en het net dus minder koper nodig heeft. Dit wordt ook wel ‘curtailment’ genoemd.
DC als alternatief voor netverzwaring
Een minder vaak gehoorde oplossingsrichting is het overgaan naar gelijkspanning. omdat je dan over dezelfde kabel veel meer energie kan versturen. Hoe komt dit? Een elektriciteitskabel die gemiddeld 230 volt aan wisselspanning moet kunnen vervoeren, moet tegen een piekspanning (sinusvorm) van 325 Volt AC kunnen én rekening kunnen houden met een extra piekspanning. Dus elke kabel kan zeker 350 Volt aan. Met gelijkspanning kan wel de maximale capaciteit van een kabel benut worden omdat er geen wisseling van spanningsrichting is. De spanning is continue en kent dus ook geen fluctuatie van de feitelijke spanning van + 325 V AC naar – 325 V AC (het kenmerk van wisselspanning). Dit zorgt ervoor dat als je uit gaat van 325 Volt DC, je 40% meer transportcapaciteit hebt bij gelijkspanning.
Electronisch beveiligen biedt nog meer winst in DC installaties
Een andere mogelijkheid in de gebouwde omgeving is dat je met elektronische beveiliging kan gaan werken. Deze beveiliging zorgt er eigenlijk voor dat er geen kortsluiting meer ontstaat. De beveiliging detecteert een fout zo snel dat deze als het ware voorkomen wordt. De beveiliging treedt al in werking ruim voordat het maximale effect ontstaat, waardoor de gevolgen niet zo desastreus zullen zijn.
in de huidige wisselspanningswereld moet een fout juist wel optreden omdat er zogenaamd kortsluitvermogen nodig is om een zekering te laten smelten of automaat te laten schakelen. Dit is een belangrijk kenmerk van wisselspanning. Dit kortsluitvermogen gaat gepaard met veel hogere stroom dan de nominale stroom (-= de stroom bij normaal gebruik). de vuistregel is 7x de nominale stroom. dat betekent dat de kabel deze maximale stroom moet kunnen verwerken. Bij normaal gebruik wordt dus maar 1/7de van de capaciteit van de bekabeling gebruikt..
Samengevat biedt gelijkspanning meer mogelijkheden om capaciteit te vergroten
Gelijkspanning kan op 3 manieren meer energie transporteren: 1) geen sinusvorm, dus 40% meer (wortel 2); 2) met andere spanning werken zoals 350 V DC; 3) minder of zelfs geen kortsluitvermogen, dus de kabel kan nog veel beter benut worden. Dit betekent dat ofwel voor dezelfde hoeveelheid energie, 60% minder koper nodig is, ofwel dat met dezelfde kabel tot 2,5x meer capaciteit en dus energietransport mogelijk is.
Uiteraard zijn er ook kosten gemoeid met de overgang naar gelijkspanning. Transformatoren moeten worden vervangen door omvormers. De verwachting is dat omvormers steeds goedkoper worden, waar ze momenteel een vergelijkbare prijs kennen als transformatoren. Transformatoren bevatten veel koper en ijzer. Vooral koper is schaarser en kostbaar aan het worden. Omvormers bevatten veel halfgeleiders, opgebouwd uit Silicium, ofwel zand. Daar is enorm veel van.
Overgang naar gelijkspanning biedt meer dan alleen meer capaciteit
Een bijkomend voordeel is dat als je naar gelijkspanning overgaat, je minder omvormingsverliezen en transportverliezen krijgt. Er zijn minder omvormingsverliezen omdat duurzame opwekking van zon geen omvorming van gelijkspanning naar wisselspanning en van wisselspanning naar gelijkspanning meer nodig heeft om een auto op te laden. Een ander aspect van omvormingsverliezen is dat de wijktrafo een gelijkmatiger belasting kan krijgen omdat bij gellijkspanning een modulaire inschakeling van omvormers mogelijk is, die elk dezelfde, hoge efficiency hebben. (later uitleggen). Het effect is een veel voorspelbaardere benutting of belasting van DC-wijktrafo’s. Dus minder verliezen.
Ook zijn er minder transportverliezen. Het wisselen van stroom en spanning in wisselspanningsnetten zorgt voor verliezen, die er met gelijkspanning niet meer zijn. De keuze voor hogere DC-spanningen zorgt voor lagere stromen door de kabels; hoe minder stroom, hoe minder transportverlies. Transportverlies is het verlies van spanning door de weerstand van het geleidend materiaal (= koper). Die weerstand, hoe beperkt ook, is afhankelijk van het kwadraat van de stroom. Het verlagen van stroom van 10 Ampere naar 9 Ampere (10% minder stroom) zorgt voor een vermindering van transportverlies met 19%.
Statement = met gelijkspanning met elektronische beveiliging kan er zeker 2,5 keer meer energie over dezelfde bekabeling getransporteerd worden dan met wisselspanning; dus maak beter gebruik van al het koper wat al in de grond ligt door over te gaan op gelijkspanning.