Gelijkstroom vs wisselstroom: alle verschillen
Al meer dan honderd jaar is wisselstroom wereldwijd de norm voor elektriciteitsvoorziening. Maar het kan efficiënter. Daarom wordt er opnieuw gekeken naar alternatieven, zoals gelijkstroom. Gelijkstroom vs wisselstroom, welke vorm van energievoorziening heeft de toekomst?
Aan het einde van de negentiende eeuw waren er twee mensen bezig met de ontwikkeling van elektriciteitsnetwerken: Thomas Edison en George Westinghouse. Deze heren waren in een zeer felle concurrentiestrijd gewikkeld, waarbij het draaide om het fundamentele verschil tussen gelijkstroom (direct current, ofwel DC) en wisselstroom (alternating current, ofwel AC). Edison promootte gelijkstroom en Westinghouse (bijgestaan door Tesla) promootte wisselstroom. Uiteindelijk heeft het wisselstroomsysteem de strijd gewonnen en AC is tot op de dag van vandaag het standaardsysteem voor de distributie van elektriciteit.
Kwestie van efficiëntie
Edisons elektriciteitsnetwerk was gebaseerd op een lage gelijkspanning (eigenlijk een betere term dan gelijkstroom), met als nadeel veel energieverlies bij transport over langere afstanden. Dat onderkende Edison wel, maar hij vond de hoge wisselspanning van Westinghouse domweg veel te gevaarlijk voor publiek gebruik, vanwege het reële gevaar van elektrocutie.
Voor zijn eigen systeem zou er echter in iedere wijk een energiecentrale gebruikt moeten worden om lange afstanden te kunnen overbruggen. Dat vonden de beleidsmakers van toen een veel groter nadeel dan het nadeel van het elektrocutiegevaar bij wisselstroom. Dus omdat wisselstroom veel efficiënter over lange afstanden kon worden getransporteerd, werd uiteindelijk toch hiervoor gekozen.
Door nieuwe technologische ontwikkelingen kan gelijkstroom tegenwoordig wél goed over grote afstanden worden getransporteerd, waarmee een belangrijk nadeel van gelijkspanningsnetwerken wordt opgeheven. Is dat belangrijk? Ja, want heel veel apparaten werken op gelijkstroom en bij de omzetting van wisselstroom naar gelijkstroom – en vice versa – treedt veel verlies op. Het ligt dus in deze tijd van energiebesparing voor de hand om te kijken of die omzetting vermeden kan worden door (deels) over te stappen op gelijkstroom.
Energiebesparing
Dat die besparing twee richtingen opgaat, is duidelijk als je je bedenkt dat gebruiksapparaten de wisselstroom uit het stopcontact via adapters moeten omzetten naar gelijkstroom, maar dat aan de andere kant energie-opwekkers als zonnepanelen en windturbines gelijkstroom opwekken, die vervolgens moet worden omgezet naar wisselstroom voor levering aan het energienetwerk.
In de praktijk wordt dan gelijkstroom omgezet naar wisselstroom, die vervolgens weer terug wordt omgezet naar gelijkstroom. Dat is natuurlijk niet efficiënt en kan volgens allerlei deskundigen en onderzoekers tot wel 30 procent energieverlies opleveren. Door – in eerste instantie lokaal – over te stappen naar een gelijkstroomnetwerk kan dit energieverlies worden voorkomen. Gelijkstroom is overigens ook beter regelbaar. Er hoeft namelijk alleen gekeken te worden naar het spanningsniveau en niet naar de frequentie zoals bij wisselstroom.
Maximaal profiteren van gelijkstroom
Het gebruik van gelijkstroom door eindgebruikers neemt in snel tempo toe, dus het is niet meer dan logisch dat we het elektriciteitsnet daarop aanpassen. Een groot deel van de apparatuur in huizen, bedrijven en onderweg werkt intern geheel of grotendeels op gelijkstroom, dus als je die gelijk zou kunnen aansluiten op een gelijkstroomnetwerk voorkom je energieverlies. En doordat je geen interne of externe adapters en omvormers meer nodig hebt bespaar je ook op grondstoffen en kosten. Daarnaast wordt door het verminderde aantal componenten de storingsgevoeligheid van het apparaat als geheel minder.
Ook het toenemende gebruik van ledverlichting door consumenten, bedrijven en overheden maakt gelijkstroom interessanter, want ook die lampen werken op gelijkstroom, in tegenstelling tot gloeilampen. En ook het elektrische vervoer is aan een gestage opmars bezig. Als je de accu’s daarvan zonder omzetting direct kunt opladen met gelijkstroom heb je een win-winsituatie als het gaat om energiebesparing en duurzaamheid.
Het gebruik van gelijkstroom door eindgebruikers neemt in snel tempo toe, dus het is logisch dat we het elektriciteitsnet daarop aanpassen.
-
Een andere grootverbruiker van elektriciteit is de warmtepomp. Steeds vaker zullen warmtepompen als vervanger gaan dienen voor gasgestookte cv-installaties. Het is het meest efficiënt als die door middel van gelijkstroom direct kunnen worden aangesloten op gelijkstroom leverende energiebronnen zonder dat er een wisselstroomsysteem tussen zit.
Gelijkstroom aan de aanleverkant
Een ander voordeel van gelijkstroom is de perfecte match met usb. De verwachting is dat usb als algemeen elektriciteitsmedium gebruikt kan gaan worden, niet alleen voor het opladen van mobiele apparaten, maar als vervanger van stroomsnoeren aan apparaten. Het aandeel gelijkstroom in de moderne maatschappij zal dus steeds verder toenemen, waardoor het gebruik van speciale gelijkstroomnetwerken ook steeds meer voor de hand ligt.
Ook aan de aanleverzijde is het gebruik van gelijkstroom efficiënt. De energie die wordt opgewekt door middel van zonnepanelen, windturbines, waterkrachtcentrales en zelfs als reguliere energiecentrales bestaat initieel uit gelijkspanning, en dus kun je die eigenlijk het beste ook zoveel mogelijk als gelijkspanning inzetten. En dan het liefst natuurlijk collectief, autonoom en slim opgezet, met zo weinig mogelijk tussenkomst van het publieke wisselspanningssysteem.
Gelijkstroom is de basis voor ‘smart grids’
Een bijkomend voordeel van een gelijkstroomnetwerk is dat het prima overweg kan met sterk wisselende energiestromen in twee richtingen, zoals we dat zien bij de decentrale energie-opwekking van tegenwoordig. Het huidige wisselstroomnetwerk heeft juist steeds meer moeite met het verwerken van de decentrale, fluctuerende alternatieve-energiestromen die het in toenemende mate te verwerken krijgt
Door de voortdurend wisselende AC/DC-stromen raakt het huidige wisselstroomnet overbelast en zal het moeten worden verzwaard om de toename op te kunnen vangen, met inbegrip van de analoge transformatoren, alle schakelmaterialen en de overige voorzieningen in de tussen- en onderstations. Dat kost niet alleen veel geld, maar vormt ook een aanslag op steeds schaarser worden grondstoffen zoals koper.
©PXimport
Het is slim om het wisselstroomnetwerk te ontlasten door gelijkstroomnetten in te zetten als dat mogelijk is. In het kader van de internationale milieudoelen zal er meer elektriciteit gebruikt worden. Wat traditioneel met fossiele brandstoffen ging (vervoer, verwarming, energie-opwekking), zal in de toekomst steeds vaker elektrisch gebeuren.
Maar het elektriciteitsnet is daar niet op toegerust. Daarom moeten de bestaande openbare wisselstroomnetten de komende decennia worden getransformeerd tot internationaal opererende ‘smart grids’. Omdat dit met gelijkstroom makkelijker gaat dan met wisselstroom, zal er stevig moeten worden ingezet op gelijkstroom. De smart grids zullen interactief gaan reageren op en met de laagspanningsinstallaties in woningen, gebouwen en infrastructuur, om alle verschillende energiestromen in beide richtingen in balans te kunnen houden.
Efficiënt elektriciteitstransport
Het verbinden van die nationale en regionale smart grids gaat het best via gelijkspanning. Er kan over grote afstanden via dezelfde kabels veel meer gelijkstroom vervoerd worden dan wisselstroom. Hierdoor kan op efficiënte manier dynamisch elektriciteit tussen landen worden uitgewisseld. Zonne-energie uit zuidelijke landen, windenergie uit vlakke, open landen, waterkrachtenergie uit Noorwegen en ga zo maar door.
Om dat van de grond te krijgen moeten landen op het gebied van de energievoorziening in Europees verband wel meer met elkaar gaan samenwerken, in plaats van elkaar te concurreren om ieder voor zich zo goedkoop mogelijke energie te verkrijgen. Overigens worden de ‘high voltage direct current’-transportkabels voor de lange afstand nu ook al gebruikt, bijvoorbeeld voor de verbindingen van Nederland met Noorwegen en Engeland.
In een volgend artikel kijken we naar wat er komt kijken bij het aanleggen van zo'n gelijkstroomnetwerk.
Tekst: Jurgen Nijhuis
