Nu duurzame energieoplossingen steeds belangrijker worden, staat de vraag centraal hoe we het meest efficiënt kunnen omgaan met onze energie. Een van de technieken die hier een belangrijke bijdrage aan zou kunnen leveren, is gelijkspanning. Laurens Mackay, oprichter van DC Opportunities, houdt zich bezig met het implementeren en optimaliseren van gelijkspanningstechnologie. Hij legt aan Solar365 uit waarom gelijkspanning nu in de meeste toepassingen veel logischer zou zijn en hoe dit zou helpen bij het oplossen van netcongestie.

De stroom uit het stopcontact werkt op wisselspanning. In Nederland gebruiken we een spanning van 230 volt met een frequentie van vijftig hertz. Dit betekent dat de spanning vijftig keer per seconde wisselt tussen positieve en negatieve polariteit. Gelijkspanning heeft geen frequentie. Bij gelijkspanning is er een constante polariteit, positief of negatief. Batterijen, zonnecellen en de meeste elektronische apparaten werken op gelijkspanning.

Wisselspanning is ooit gekozen voor het aanleggen van stroomnetten omdat hoge spanning noodzakelijk was voor het transporteren van stroom over lange afstanden. "De keuze voor wisselspanning werd destijds gemaakt omdat er toen nog geen vermogenselektronica bestond om gelijkspanning effectief te transformeren. Nikola Tesla introduceerde wisselspanningssystemen, waarbij het mogelijk werd om met een transformator de spanning eenvoudig te verhogen of te verlagen. Dit was cruciaal voor het efficiënt transporteren van elektriciteit over lange afstanden. In die tijd was het een baanbrekende beslissing, omdat wisselspanning de noodzaak voor complexe en onderhoudsgevoelige systemen met bewegende delen elimineerde", legt Mackay uit.

De voordelen
Bijna alle elektriciteitsnetten in Nederland werken op wisselspanning, terwijl de meeste van onze apparaten op gelijkspanning werken. Om bruikbaar te zijn voor apparaten moet de wisselspanning naar gelijkspanning worden omgevormd. Hierbij gaat een deel van de energie verloren. Zo wordt de gelijkstroom die door zonnepanelen wordt geproduceerd bijvoorbeeld omgevormd tot wisselstroom om teruggeleverd te worden aan het net, waar het vervolgens weer wordt afgenomen en omgevormd tot gelijkspanning om bijvoorbeeld de elektrische auto op te laden of elektrisch te koken.

Mackay wijst erop dat een van de grootste voordelen van gelijkspanning is dat het een aantal van deze inefficiënties kan elimineren. "Eigenlijk, als je opnieuw zou kijken, dan zou geen wisselspanningsnet maken," zegt hij. Moderne apparaten en systemen gebruiken immers al gelijkspanning, en het continu omvormen is niet alleen inefficiënt, maar verhoogt ook de kans op storingen.

Daarnaast hoeven kabels voor gelijkspanning minder dik te zijn voor dezelfde hoeveelheid stroom, legt Mackay uit. "Gelijkspanning maakt veel efficiënter gebruik van de infrastructuur omdat je altijd bij de piek van de spanning blijft. Dit betekent dat kabels en vermogenselektronica optimaal kunnen worden benut, waardoor de kabels dunner kunnen zijn en je meer capaciteit uit dezelfde infrastructuur haalt.” Een gelijkspanningsnet zou dus een oplossing kunnen bieden om efficiënter gebruik te maken van bestaande kabels en daarmee netcongestie te voorkomen.

Kip-en-ei-probleem
Helaas is het niet mogelijk om in één klap de hele Nederlandse infrastructuur aan te passen. Mackay wijst dit aan het kip-en-ei-probleem. "Omdat er nauwelijks gelijkspanningsnetten zijn, worden er bijna geen apparaten voor ontwikkeld. En zonder gecertificeerde apparaten is het moeilijk om gelijkspanningsnetten te bouwen. Hoewel gelijkspanning efficiënter kan zijn en materialen bespaart, is het lastig om economische schaalvoordelen te bereiken zonder massaproductie", aldus Mackay.

Innovatie
DC Opportunities werkt hard aan het opzetten van pilots met gelijkspanningsnetten en het innoveren hiervan. Een van die innovaties is het beveiligen van gelijkspanningsnetten met een nieuwe technologie.

Een nadeel van een gelijkspanningsnet is namelijk dat het lastiger is om het net te beveiligen tegen kortsluiting. Omdat wisselspanning constant van polariteit wisselt, hebben schakelaars tijd om te reageren op overbelasting en kunnen ze makkelijker afschakelen om schade te voorkomen. Bij gelijkspanning is deze tijd er niet. DC Opportunities heeft echter een technologie ontwikkeld waarmee er bij gelijkspanning sneller afgeschakeld kan worden dan bij wisselspanning met behulp van een techniek genaamd solid-state elektronica.

Solid-state houdt in dat de schakelingen niet mechanisch, maar elektronisch worden geregeld met behulp van halfgeleiders. Deze technologie maakt het mogelijk om systemen sneller en efficiënter af te schakelen in het geval van kortsluiting, wat essentieel is voor het veilig functioneren van gelijkspanningssystemen.

"Schakelen op gelijkspanning is niet moeilijk, maar het moet extreem snel gebeuren. Onze beveiliging schakelt af in enkele microseconden, terwijl het bij wisselspanning tientallen milliseconden duurt. Dit snelle afschakelen maakt het mogelijk om selectiever te zijn en voorkomt dat de kortsluitstroom hoog oploopt", aldus Mackay.

De toekomst van gelijkspanningsnetten
Hoewel de voordelen van gelijkspanning duidelijk zijn, is de overgang van een wisselspanningsnet naar een gelijkspanningsnet een uitdaging. Mackay stelt voor om nieuwe infrastructuren die toch al gebouwd moeten worden, zoals oplaadpunten voor elektrische voertuigen of nieuwe zonneparken, direct op gelijkspanning aan te sluiten. Op deze manier kunnen de bestaande wisselspanningsnetten blijven functioneren terwijl de voordelen van gelijkspanning worden benut in nieuwe toepassingen zonder dat deze verder het wisselspanningsnet belasten.

Mackay erkent dat het waarschijnlijk niet haalbaar is om bestaande netwerken volledig om te schakelen naar gelijkspanning zonder substantiële investeringen en renovaties. Echter, in gebieden waar nog geen elektrische infrastructuur bestaat, zoals in sommige ontwikkelingslanden, kan gelijkspanning vanaf het begin worden ingevoerd, wat een grote stap vooruit zou betekenen voor de efficiëntie en duurzaamheid.