211service.com
Edison's Revenge: The Rise of DC Power
I 1903, som et siste forsøk på å opprettholde likestrøm som standard for distribusjon av elektrisitet rundt i USA, ledet Thomas Edison en beryktet begivenhet som delvis var ment å demonstrere faren for vekselstrøm: elektrokusjonen av Topsy, en sirkuselefant ansett som en trussel mot mennesker, med en 6600-volts AC-ladning. Edisons stunt var ren fryktutfordring (DC er like farlig ved høyspenning), og det mislyktes: nettet vårt i dag er primært AC.
Men litt over et århundre etter Topsys kollaps, er det AC som ser stadig mer vinglete ut. Takket være det økende strømforbruket til digitale enheter av alle slag, gjør likestrøm et comeback, denne gangen på sine egne fordeler.
Alt som bruker transistorer er avhengig av likestrøm, strømmen av elektrisitet i én retning. Det forklarer hvorfor PC-er, iPhone-er og flatskjerm-TV-er alle har omformerbokser for å gjøre vekselstrømmen i vegguttak (som snur retning 120 ganger i sekundet) til likestrøm.
Slike digitale forbrukerenheter står for opptil en femtedel av det totale strømforbruket i dag, ifølge Greg Reed, direktør for Power & Energy Initiative ved University of Pittsburgh. Reed sier at den bratte vekstkurven for likestrøm skyldes ikke bare datamaskiner, men også spredningen av enheter som LED og solcellepaneler.
I løpet av de neste 20 årene kan vi definitivt se så mye som 50 prosent av våre totale belastninger utgjøres av DC-forbruk, sier han. Det akselererer enda mer enn vi hadde forventet.
Med det økende antallet enheter som genererer og bruker likestrøm, sier Reed, kommer en stor mulighet til å spare energi. Ved å distribuere likestrøm til DC-enheter i stedet for å konvertere den til AC underveis, er det mulig å unngå betydelige energitap som oppstår hver gang elektrisitet konverteres.
Noen elektronikktunge anlegg utvikler nå helt likestrøms mikronett for å gi strøm til brukerne. Vurder planene for et DC-mikronett ved Kinas Xiamen-universitet, annonsert i mars. Et selvstendig elektrisk nett vil spenne over tre campusbygninger, og koble en 150 kilowatt solcellepanel på taket til LED-belysningssystemer og banker av dataservere.
Spredningen av elektriske kjøretøy kan gjøre likestrøm enda viktigere: elbiler lader på likestrøm og krever betydelige mengder strøm. Dragan Maksimovic, en ekspert på kraftelektronikk ved University of Colorado i Boulder, anslår at solcelledrevne billadere hans gruppe utvikler bør kutte strømtapet fra 10 prosent av det panelene produserer til bare 2 prosent. Maksimovic samarbeider med Satcon, en produsent av kraftomformere, og har finansiering fra Hawaii Renewable Energy Development Venture; teamet planlegger å installere solcelleladere denne våren på et feriested på Hawaii-øya Lanai.
En annen driver for DC er datasentrene som driver Internett og telekommunikasjonsnettverk. Store datafarmer bruker nå mer enn 1,3 prosent av strømmen på verdensbasis, og det tallet øker raskt. Den innkommende strømmen er AC og må konverteres. I stedet for å ha strømomformere på hver datamaskin, installerer noen selskaper store sentraliserte omformere og distribuerer 380-volts likestrøm på tvers av serverfarmene sine. Den japanske telekomgiganten NTT har fire datasentre i Tokyo-regionen som opererer på DC; i fjor fullførte den et DC-basert serversenter i Atsugi City, sørvest for Tokyo, som er den første til å betjene eksterne kunder.
Strømbesparelser oppnås i stor grad ved å erstatte AC-til-DC-omformere koblet til individuelle servere med mer effektive sentraliserte omformere. Å gjøre den bryteren og eliminere AC-DC-omformere på batteribackup-systemer reduserer strømforbruket med 15 prosent sammenlignet med konvensjonelle AC-konfigurasjoner, ifølge Keiichi Hirose, en senior forskningsingeniør ved NTT Facilities i Tokyo. Intel har verdsatt årlig strømsparing for et mellomstort datasenter i USA til 1,2 millioner dollar, og verdien bør være betydelig høyere i Japan og Europa, hvor kraftprisene er høyere.
DC-belysningskretser fanger også opp. Emerge Alliance, et konsortium basert i San Ramon, California, som tar til orde for DC-strømdistribusjon i kommersielle bygninger, har etablert en standard for 24-volts DC-takkretser og sier at å kjøre LED-taklys på DC-linjer bruker opptil 15 prosent mindre energi enn å gjøre AC-til-DC-bryteren inne i armaturene. Emerge jobber nå med å bringe likestrøm til de ansattes skrivebord, slik at de kan kobles til datamaskiner eller telefoner uten behov for varmekonverteringsbokser.
Vil DC-opprøret spre seg utover bygninger for å ta over de større linjene som mater nabolag, byer og utover, slik Edison en gang håpet? Mange krafteksperter er skeptiske. Vekselstrøm er standarden for overføring av elektrisitet rundt i nettet, og mange enheter, for eksempel elektriske motorer, egner seg til vekselstrøm. Jeg tror ikke det kommer til å bli en engrostransformasjon av kraftsystemet til likestrøm, sier UC Boulders Maksimovic.
Men andre, som Reed, ser på en DC-overtakelse som uunngåelig. Han bemerker at overføringslinjer i økende grad bruker likestrøm, fordi høyspent DC (HVDC)-linjer er lettere å kontrollere og har lavere tap enn AC-linjer. Langdistanselinjer er ofte nøkkelen til å utnytte fornybare ressurser som ligger langt fra strømtrengende byer, som vind- og solenergi.
Å utvide DC-kraftdistribusjonen på topp- og bunnnivå i den elektriske næringskjeden skaper en mulighet til å lukke gapet med regional distribusjon også i DC, akkurat som Edison en gang forestilte seg. Reed bemerker at konvertering av høyspent vekselstrøm til 120 volt for privat bruk fører til tap rundt 5 prosent høyere enn med tilsvarende DC-systemer. Hvis du har HVDC i den ene enden og DC-forbruk i den andre, blir det en muliggjører for mellomspent DC mellom dem, sier han.
Med slike besparelser spår Reed at den første direkte leveringen av likestrøm fra høyspentlinje til sluttbruker kanskje ikke er så langt unna, spesielt i raskt utviklende økonomier som bygger ny kraftinfrastruktur. Jeg tror vi er innen 10 år etter det her, sier han, og innen tre til fem år i Kina.