‘Het elektriciteitsnet efficiënter maken kán niet zonder gelijkstroom’

“Het elektriciteitsnet is de grootste machine die de mensheid ooit gemaakt heeft, maar het onder controle houden wordt steeds lastiger”, stelt gelijkstroomspecialist Damiën Zuidervliet. Dat wordt veel beter als we meer gelijkstroom gaan gebruiken. “Het wordt daarom echt tijd dat we het vertrouwde traditionele systeem langzaam durven loslaten.”

Gelijkstroom (DC) wordt op steeds meer plekken een veel logischer keuze voor het elektriciteitsnet dan de wisselstroom (AC) die nu de standaard is. In een elektriciteitsnet dat gebaseerd is op DC kan elektriciteit worden gestuurd, geknepen en fouten kunnen veel eenvoudiger preventief worden opgespoord. Het is in het algemeen dan ook veel stabieler, zegt Zuidervliet. Maar wat is gelijkstroom, en waarom wordt het nog nauwelijks op grote schaal toegepast als alternatief? Zuidervliet geeft inzicht in wat we in de toekomst kunnen verwachten.

Ooit was wisselstroom de juiste keuze, geeft Zuidervliet aan. “Stroom werd vroeger gebruikt voor drie primaire zaken: verlichting, verwarming en om machines in beweging te zetten. De eerste twee zijn met zowel wissel- als gelijkstroom prima te verzorgen. Voor de derde toepassing, een motor laten draaien, was wisselstroom zelfs het beste. Maar de belangrijkste eigenschap die voor wisselstroom pleitte, kwam voort uit efficiënt transport”, legt hij uit.

Transport met wisselstroom

De wereld van elektriciteit bestaat in grote lijnen uit drie grootheden: spanning, stroom en de weerstand van componenten. Het transporteren van elektriciteit wordt gelimiteerd door de stroom en de weerstand, niet door de spanning. Hoe sterker de stroom, hoe groter de weerstand en dus hoe meer verlies er optreedt door warmteontwikkeling. Dat verlies van energie neemt zelfs exponentieel toe met de stroomsterkte (P=I²R). Maar als je in staat bent een hoge spanning te maken met heel lage stroom, dan kun je die elektriciteit wel over honderden kilometers transporteren zonder je elektriciteit te zien verdampen.

Dat is precies waar Tesla eind 19e eeuw praktisch onderzoek naar deed. Tesla bouwde uiteindelijk een werkend product, dat elektriciteit van hoge stromen kon omzetten naar hoge spanningen, en omgekeerd, terwijl het dezelfde hoeveelheid elektrische energie behield. Dat realiseerde hij via de basisprincipes van wisselstroom. Dit product werd de bekende transformator, waar we vandaag de dag binnen ons elektriciteitsnetwerk nog steeds volledig op vertrouwen, en dat een hoofdrol speelt bij de nu heersende netcongestie.

Wisselstroom was dus een tussenstap die we in de negentiende eeuw nodig hadden om elektriciteit efficiënt te kunnen transporteren over lange afstanden. Daarvoor was het verder nodig om die wisselstroom te standaardiseren. In Europa kozen we voor een elektriciteitsnet dat is gebaseerd op 50 Hertz (Hz), wat wil zeggen dat de spanning 50 keer per seconde op en neer springt. In de VS kozen ze voor 60Hz.

Nieuw tijdperk van vermogenselektronica

We draaien de klok weer zo’n 150 jaar vooruit. De elektrische wereld is intussen heel sterk veranderd. “De primaire principes van opwek en transport zijn hetzelfde gebleven, en we zitten dus nog steeds vast aan wisselstroom op 50 Hz”, geeft Zuidervliet aan. “Maar de laatste 50 jaar is er door de ontwikkeling van halfgeleidertechnologie toch een heel nieuw tijdperk aangebroken: het tijdperk van de vermogenselektronica. Daarmee kunnen we ook gelijkstroom boosten naar heel hoge spanningen, en dus kunnen we nu ook gelijkspanning over lange afstanden transporteren.” In de praktijk is dat zichtbaar in intercontinentale verbindingen, zoals tussen het Verenigd Koninkrijk en Nederland en tussen Nederland en Noorwegen. Die werken al jaren met gelijkstroom, omdat dit nu over lange afstanden effectiever is dan wisselstroom.

Efficiënt transport is dan ook geen dwingende reden meer om wisselstroom te gebruiken. Terwijl er wel steeds meer aspecten bij komen die de keuze voor gelijkstroom veel logischer maken. “In de afgelopen jaren is ons gebruik en gedrag helemaal veranderd”, stelt Zuidervliet. “We zijn van een situatie met centrale krachtcentrales, terechtgekomen in een complex systeem waarbij iedereen elektriciteit op het net kan invoeden, hetzij vanuit zonnepanelen, batterijen of op willekeurige snelheid draaiende windturbines. En we zijn van gloeilamp en simpele apparaten overgestapt op LED en verfijnde elektronica.”

Inefficiënt bezig

Daar ontstaat het eerste conflict, ziet Zuidervliet. Onze computers, telefoons, TV’s en dergelijke gebruiken gelijkstroom, en ook autobatterijen slaan hun energie op via gelijkstroom. Maar de elektriciteit voor deze apparaten halen we uit het elektriciteitsnet dat wisselstroom geeft. “Om dit op te lossen voegen fabrikanten adapters toe aan hun apparaten, zodat je ze kunt gebruiken of opladen via het wisselstroomnet. Bij je TV zit die ingebakken, bij je telefoon zit de adapter in het compacte stekkerblok, en in een elektrische auto zit een grote omvormer. Maar dit brengt wel limitaties met zich mee. Dat is bij autoladers goed te merken. Het opladen in de straat duurt bijvoorbeeld een halve dag, terwijl de gelijkstroom-snellader langs de snelweg een auto oplaadt in minder dan een uur.”

Al die omvormers en adapters die we gebruiken, brengen onzichtbare problemen met zich mee, stelt de specialist, die het net zoals het nu is ingericht steeds minder efficiënt maken. “Niet alleen zijn we steeds meer conversiestappen aan het toevoegen die kleine beetjes vervuiling in de stroomkwaliteit veroorzaken, ook komt de stroom van allerlei onbekende kanten. Bijvoorbeeld via zonnepanelen of ‘terugverdienende’ thuisbatterijen. Van oorsprong is het elektriciteitsnet een top-down systeem, waarvan de in krachtcentrales opgewekte elektriciteit naar beneden vloeit naar de eindgebruikers. Tegenwoordig heeft niemand inzicht in waar de stroom allemaal vandaan komt.”

Zuidervliet maakt zich duidelijk zorgen over hoe het gebruik van het elektriciteitsnet zich ontwikkelt. “Er komt ook steeds meer druk vanuit de politiek, want we moeten immers blijven bouwen, All-Electric uiteraard. Om überhaupt kans te maken die deadlines te halen, worden de veiligheidsmarges van onze energiezekerheid flinterdun gemaakt. Het is dus niet de vraag óf de bom knalt, maar wannéér die knalt.”

Daar komt nog bij dat er de laatste tijd steeds meer complexe infrastructuren worden gebouwd, zoals laadpleinen en datacenters. “Dit zijn belangrijke maar ook gigantische elektriciteit slurpende infrastructuren die in de kern voornamelijk bestaan uit gelijkstroomcomponenten. Het is belangrijk om je te realiseren dat het verbruik ervan al gauw kan oplopen tot het residentiële verbruik van een halve stad. Ook deze datacenters en laadpleinen hebben, net als je telefoon en auto, een adapter nodig. We zijn dus onwijs inefficiënt bezig.”

Een stuurbaar elektriciteitsnet

We forceren elektrificatie veel te snel en daarmee veroorzaken we de problemen met onbalans en netcongestie die we nu ervaren, vindt Zuidervliet. “In het huidige wisselstroomnet kunnen we elektriciteit maar in beperkte mate sturen. Door de spanning en frequentie te meten kunnen we wel een boel conclusies trekken over de gezondheid van het net, maar dit geeft slechts een beperkt beeld over de totale gezondheid. En uiteindelijk hebben we in feite maar heel weinig controle over waar de stroom uiteindelijk naartoe vloeit.”

Met onbalans en congestie als gevolg. Het gebruik van gelijkstroom zou hierop volgens Zuidervliet een positief effect hebben. “We krijgen meer controle over de Wet van Ohm. Want gelijkstroom heeft geen frequentie, dus is een gelijkstroomnet afhankelijk van minder parameters. Dit stelt ons in staat een veel stabieler net te realiseren. Het is veel eenvoudiger te meten en te besturen. We kunnen veel sneller fouten detecteren, soms zelfs preventief. Daarnaast kunnen we gaan knijpen in de koperen leiding, net alsof een tuinslang is. Dit is ideaal om de stroomtoevoer in specifieke richtingen te beperken wanneer dat goed uitkomt, zonder dat we de stroomtoevoer helemaal hoeven dicht te draaien. Dat is precies wat je nodig hebt om netcongestie bij de oorzaak aan te pakken.”

Maar daar stoppen de voordelen niet. Er kan ook veel meer energie door dezelfde kabel heen, en de infrastructuur kan in volume dus zelfs kleiner worden in plaats van worden verzwaard. Voor de aanleg AC heb je voornamelijk veel koper, aluminium en ijzer nodig. “Maar wel heel erg veel koper en ijzer, vrachtwagens vol. Terwijl de prijs van koper door het dak gaat. Voor het DC-equivalent volstaat een kofferbak aan materiaal, bij wijze van spreken. Dat is niet alleen winst in grondstoffen, maar ook winst in ruimte. En in ons kleine landje is er flinke schaarste aan beschikbare ruimte. Je kunt dus stellen dat Nederland het ideale land is om gelijkstroom groot te maken.”

Alleen maar voordelen?

Toch is gelijkstroom geen magisch middel, benadrukt Zuidervliet. “Het elektriciteitsnet is de grootste machine die de mensheid ooit gemaakt heeft. Dat betekent dus ook dat het onwijs complex is. Het vereist heel veel kennis om zo’n complexe machine helemaal te begrijpen en operationeel te houden. Daarom is het fijn soms dingen te blijven doen zoals het altijd ging.”

Onderwijs en kennis is een essentieel aspect om de gelijkstroomketen op gang te krijgen. “Je moet een dwarsligger van aard zijn wil je gelijkspanning een kans geven in zo’n vroeg stadium. Gelukkig zit dwarsliggen in mijn bloed, want de techniek van gelijkstroom is logischer. Alleen de logistiek eromheen is er nog niet op voorbereid. Maar volgens mij is dat niet anders dan bij de introductie van auto’s in het tijdperk van paarden, of computers in het tijdperk van papier. Wanneer het zich eenmaal bewezen heeft, wordt het vanzelf door de samenleving genormaliseerd.”

Naar een kantelpunt

Distributie met wisselstroom heeft 100 jaar voorsprong op gelijkstroom, niet alleen op het gebied van kennis, maar ook in de markt. AC distributiecomponenten worden geproduceerd in de miljarden, terwijl dat voor DC-componenten enkele miljoenen zijn. Ook het gebrek aan experts maakt het lastig. Dat betekent dat de inzet van DC op dit moment nog veel duurder is. Het is volgens Zuidervliet dan ook logisch dat het nu vooral wordt toegepast in complexere installaties, zoals laadpleinen, datacenters of in grote industrieën. Daarin kan financieel en technisch meer worden geïnvesteerd voor betere systemen.

Toch ziet hij de komende tijd een kantelpunt ontstaan. “De eerste vraag die mij altijd gesteld wordt is: welk verschil ga ik merken als ik gelijkstroom gebruik? Terwijl het nou juist het beste is als de gebruiker er helemaal niks van merkt. Consumenten moeten ongehinderd gebruik kunnen maken van hun elektriciteit. Je gaat het verschil pas merken wanneer buren in de straat bij jou komen aankloppen omdat er een storing is en bij jou het licht wel brandt. Daarnaast treden de echte voordelen van gelijkstroom hoger in het net op. Balanceren en filtering van ruis worden daar beter onder controle gebracht. Met de gigantische toename van batterijsystemen, zonne-systemen, complexe elektrische apparatuur en misschien zelfs ontlaadbare auto’s, wordt het net steeds instabieler. Als de beleidsmakers geen knopen durven doorhakken, zullen we vóór 2030 in het stadium terechtkomen dat we rekening moeten gaan houden met grotere blackouts dan we nu gewend zijn in Nederland. Die zullen niet heel heftig zijn en ook weer snel opgelost worden, maar met hun korte tijdsduur zijn ze vervelend genoeg. Met andere woorden, de energiezekerheid komt steeds meer in gevaar. Dat gaat iedereen merken, ook gewone gebruikers. Dat brengt ons steeds dichter bij het punt waarop we met z’n allen wél bereid zijn meer te betalen voor een effectiever systeem.”

Onbekend en dus onbemind

Een woonhuis werkt prima op wisselstroom, dus blijft gelijkstroom op dit moment voor het grote publiek onzichtbaar. Maar daardoor blijven ook de grote voordelen ervan onderbelicht, vindt Zuidervliet. Hij hoopt dan ook dat de grote golf van DC voor laadpalen en datacenters ook woonhuizen gaat meenemen. “Laten we proberen het hele systeem zo efficiënt mogelijk te maken. Dat kán niet zonder gelijkstroom.”