Expert talk: vermogenselektronica ontketent groot duurzaam potentieel in de energietransitie
De energietransitie naar een koolstofneutrale toekomst is een prangende wereldwijde kwestie. Een kwestie waarin vermogenselektronica een cruciale rol te spelen heeft, in het bijzonder bij de optimalisatie en efficiëntie van energieconversiesystemen. Door voortdurende innovatie en technologische vooruitgang zorgt het vakgebied immers voor een revolutie in de manier waarop we hernieuwbare energiebronnen aanwenden en gebruiken. Deze Expert Talk, geschreven Professor bij EnergyVille en KU Leuven Wilmar Martinez, gaat daar dieper op in en legt uit waarom vermogenselektronica een voortrekker is in de energietransitie en hoe het duurzaamheid en efficiëntie in de hand werkt.
Vermogenselektronica in toepassingen
De verschillende toepassingen van vermogenselektronica hebben als doel een optimale en kosteneffectieve werking te garanderen. Zo kan het flitsladen van elektrische bussen bij bushaltes de behoefte aan grote batterijen doen verminderen en het aantal passagiers die meerijden doen toenemen. Geavanceerde digitale algoritmes kunnen batterijsystemen transformeren in virtuele synchrone stroomgeneratoren, die essentieel zijn als netondersteuning. Verder is vermogenselektronica ook cruciaal bij de elektrificatie van het spoor, omdat het verschillende wisselspanningen, frequenties en gelijkspanningen kan aanbieden. Bovendien stabiliseren toepassingen zoals STATCOM en Power Quality Filters stroom- en spanningsfluctuaties, waardoor de productiviteit van industriële installaties wordt verhoogd en de integratie van variabele hernieuwbare energiebronnen wordt vergemakkelijkt. Daarnaast vormt vermogenselektronica ook een belangrijke meerwaarde voor zonne- en windenergie: enerzijds zorgen power optimizers voor zonnepanelen en centrale, string- en micro-omvormers in zonne-energiecentrales voor een hogere flexibiliteit en hogere energieopbrengsten, anderzijds garanderen HVDC-oplossingen een zeer efficiënte energieoverdracht van offshore wind naar land of tussen landen, waardoor de netbetrouwbaarheid wordt verbeterd.
Efficiëntie staat centraal
Efficiëntie staat centraal en zorgt ervoor dat een optimale energieconversie mogelijk is. Momenteel wordt ten minste 70% van alle elektrische energie verwerkt door een apparaat met vermogenselektronica, wat het belang ervan in het energielandschap bewijst. Elke conversiestap in het energiesysteem leidt tot verliezen. Vermogenselektronica streeft ernaar deze verliezen te minimaliseren. Stel bijvoorbeeld dat een gemiddeld gewogen rendement van 95% (een optimistisch getal aangezien er in de praktijk convertoren zijn met een rendement van 80% of minder) wordt aangenomen in een systeem met slechts één conversietrap en rekening houdend met een verbruik van ongeveer 3000 TWh/jaar in Europa. In dat geval gaat er naar schatting minstens 105 TWh/jaar verloren aan verliezen door stroomconversie. Dan kan met de gewogen elektriciteitsprijzen snel worden uitgerekend dat miljarden euro’s verloren gaan. En deze schatting wordt dan alleen nog maar voor één conversiefase uitgevoerd.
Voor offshore windenergie die in de Noordzee wordt opgewekt, is bijvoorbeeld een modulaire multilevelconvertor (MMC) nodig om wisselstroom om te zetten in hoogspanningsgelijkstroom (HVDC). Aan land is een bijkomende MMC nodig om HVDC weer om te zetten in wisselstroom. Vervolgens gaan meerdere conversiestappen in het transmissie- en distributiesysteem de spanning verder verlagen. Deze stap zou in de nabije toekomst kunnen worden vereenvoudigd met het concept van solid-state transformatoren (compacte alternatieven voor conventionele 50Hz-transformatoren). Bijkomend kunnen ingebouwde opladers en speciale installaties elektrische voertuigen opladen op het niveau van de eindgebruiker, waarbij zelfs het opladen van telefoons in het voertuig mogelijk is. In figuur 1 is de weergave van deze omzettingstrappen weergegeven.
Fig. 1. Conversietrappen en omvormers in fases om een telefoon te voorzien van offshore windenergie. Figuur hertekend van [1]
In gebouwen doet zich een soortgelijke situatie voor. Een interessant voorbeeld daarbij is de stroomverdeling in de twee gebouwen van EnergyVille, zoals Fig. 2 laat zien. Allereerst is een bipolair DC-net zichtbaar dat de twee gebouwen onderling met elkaar verbindt. Dat is belangrijk, want het is misschien wel de eerste gelijkstroomverbinding tussen gebouwen in België, mogelijk gemaakt dankzij de regelluwe zone voor energie op het Thor Park. Bovendien is het aantal conversiefasen in het gebouw duidelijk en bevestigt dit opnieuw het argument van efficiëntie en verliezen als gevolg van stroomconversie in onze gebouwen. Fig. 3 toont een 3D-weergave van de huidige status van de LVDC-installatie in EnergyVille 1.
Fig. 2. Conversiefases in de twee gebouwen van EnergyVille
Fig. 3. Conversiefases in EnergyVille 1
Een bewijs van de vitale rol van onderzoek in vermogenselektronica om te komen tot een efficiënt energiesysteem. Bovendien is vermogenelektronica cruciaal in dit energiesysteem om de stabiliteit van het net te garanderen, aangezien conventionele energiecentrales de komende decennia vaker worden stilgelegd.
Vermogenelektronica in ontwikkeling
Vermogenelektronica is voortdurend in ontwikkeling en kent vooruitgang op verschillende gebieden. Vermogenshalfgeleiders, het hart van convertoren, worden voortdurend verbeterd. Siliciumcarbide (SiC) vermogenstransistoren bieden bijvoorbeeld een hogere efficiëntie, snellere responstijden en kleinere afmetingen in vergelijking met traditionele siliciumapparaten. Dit leidt tot efficiëntere en compactere vermogensomvormers die snel reageren op veranderingen in het net. Geavanceerde digitale controllers hebben ook een nauwkeurige systeembesturing mogelijk gemaakt, waarbij miljoenen berekeningen per seconde worden uitgevoerd. De evolutie van digitale technologieën, zoals edge– en cloudoplossingen, augmented reality, machine learning en digital-twin-technologieën, verbetert de systeembeheersbaarheid, data-analyse, besluitvorming en onderhoud verder.
Een groot potentieel met dank aan data
Datagestuurde inzichten en technieken voor een voorspellend onderhoud zijn binnen vermogenelektronica van onschatbare waarde geworden. Door middel van geavanceerde analyse- en machine learning-algoritmen kunnen vermogenselektronicasystemen de prestaties bewaken, afwijkingen detecteren en mogelijke storingen proactief verhelpen. Een voorspellend onderhoud optimaliseert de werking van het systeem, vermindert storingen en verlengt de levensduur van kritieke componenten. Bovendien zorgt de integratie van artificiële intelligentie (AI) voor intelligente besluitvorming en adaptieve besturingsstrategieën, waardoor de mogelijkheden verder worden verbeterd.
Artificiële intelligentie voor een geautomatiseerd ontwerpproces
Artificiële intelligentie zorgt voor een revolutie in het ontwerpproces van vermogenselektronicasystemen. Door gebruik te maken van datastromen optimaliseren AI-algoritmen systeemarchitecturen, componentselectie en besturingsstrategieën. Deze gestroomlijnde aanpak versnelt het ontwerpproces, versnelt de uitrol naar de markt en vergemakkelijkt de ontwikkeling van zeer betrouwbare en efficiënte oplossingen.
De toekomst van vermogenelektronica: Belangrijke technologische aspecten
Hoewel vermogenelektronica al een aanzienlijke bijdrage geleverd heeft aan de energiesector, is er ook nog ruimte voor verdere ontwikkeling naar een koolstofneutraal energiesysteem.
Enkele belangrijke technologische aspecten die dringend aandacht behoeven zijn:
- Halfgeleiders en systeemontwerp: er is nieuwe vermogenshalfgeleiderapparatuur nodig, waaronder apparaten met een brede bandgap zoals siliciumcarbide, voor toepassingen met hogere spanning, stroom en efficiëntie. Het geavanceerde systeemontwerp moet uitdagingen op het gebied van lay-out, EMI/EMC2-ontwerp, stroomkwaliteit en impedantievormende strategieën aanpakken om netcompatibiliteit en stabiliteit te garanderen. Integratie op verschillende niveaus vereist nieuwe concepten om de uitdagingen op het gebied van warmte, isolatie, testen, fabricage en kostenreductie aan te pakken.
- Nieuwe toepassingen: het toegenomen gebruik van convertoren vormt een uitdaging voor de stabiliteit van het energiesysteem. Er moeten methoden worden ontwikkeld voor het analyseren, beoordelen en verminderen van problemen die voortvloeien uit de integratie van duizenden vermogensomvormers.
Conclusie
Vermogenelektronica loopt voorop in de energietransitie en stimuleert duurzaamheid en efficiëntie. Vermogenelektronica transformeert de manier waarop we energie omzetten en gebruiken door gebruik te maken van de kracht van SiC- en GaN-apparaten, geavanceerde magnetische componenten, voorspellende onderhoudstechnieken en AI-gestuurde ontwerpautomatisering. Door zijn voortdurende evolutie en duurzaamheid ontsluit vermogenelektronica het ware potentieel van hernieuwbare energiebronnen. Naarmate verdere ontwikkelingen gemaakt worden, zal de synergie tussen vemogenelektronica en opkomende technologieën de weg vrijmaken voor een groenere en duurzamere toekomst. Met vermogenelektronica die minstens 3/4 van de elektrische energie verwerkt, kan de rol ervan bij het realiseren van een efficiënt en duurzaam energielandschap niet genoeg worden benadrukt.
[1]: Ballestín-Fuertes, J.; Muñoz-Cruzado-Alba, J.; Sanz-Osorio, J.F.; Laporta-Puyal, E. Role of Wide Bandgap Materials in Power Electronics for Smart Grids Applications. Electronics 2021, 10, 677. https://doi.org/10.3390/electronics10060677
[2]: EMI/EMC: ElectroMagnetic Interference / ElectroMagnetic Compatibility. Referring to the noise challenges that will bring due to fast switching and transients in power converters.