een nieuwe, slimme middenspanningstransformator ontwikkeld aan de ETH Zürich met geavanceerde halfgeleidertechnologie, waardoor het extreem compact en energiezuinig is. Toekomstige toepassingen variëren van locomotieven tot snellaadstations voor elektrische voertuigen en van voedingen voor datacenters tot gebruik in toekomstige elektriciteitsnetten.

Elektrotechnici van ETH Zürich hebben een slimme elektronische transformator ontwikkeld die uiterst efficiënt werkt om middenspanning om te zetten in laagspanning. Dergelijke slimme transformatoren zijn ook veel kleiner dan standaard transformatoren. Dit maakt ze bijzonder geschikt voor gebruik waar de ruimte beperkt is of het gewicht tot een minimum moet worden beperkt, zoals bijvoorbeeld het geval is bij treinlocomotieven.

De meeste elektriciteitsnetten voor railtoepassingen leveren wisselstroom op middenspanningsniveau. De locomotieven verlagen dan de spanning naar een lagere waarde. "Om technische redenen hoe lager de frequentie van de wisselstroom, hoe groter de transformator die nodig is om de spanning te verlagen. En bij 16,7 Hertz, de frequentie die wordt gebruikt in het spoorvervoer in Zwitserland en een aantal andere Europese landen is relatief laag, " legt Daniel Rothmund uit, een van de twee promovendi in de groep van ETH Professor Johann Kolar die de nieuwe transformator hebben gebouwd.

Om dit grootteprobleem te omzeilen, slimme transformatoren hebben een truc in petto:ten eerste, een front-end converter verhoogt de frequentie van de wisselstroom aanzienlijk, wat betekent dat de transformator zelf veel kleiner kan zijn. Dan levert een volgende omvormer wisselstroom op de gewenste frequentie.

Schakelen bij extreem hoge frequenties

Rothmund en zijn collega Thomas Guillod moesten veel van de componenten voor hun transformator zelf ontwikkelen, aangezien er voor de middenspanning van 10 weinig componenten uit voorraad leverbaar zijn, 000 volt waarmee ze werken. Vooral componenten van siliciumcarbide die extreem snel schakelen mogelijk maken – prototypes van een Amerikaans bedrijf – waren belangrijk. Met behulp van deze, de ETH-promovendi konden middenspanning omzetten naar een zeer hoge frequentie van 75, 000 hertz; als resultaat, het transformatorsysteem dat ze hebben gebouwd, is slechts een derde van de grootte van eerdere slimme transformatoren met vergelijkbare vermogens. En terwijl eerdere systemen een energie-efficiëntie van ongeveer 96 procent behaalden, Rothmund en Guillo slaagden erin 98 procent te beheren - met andere woorden, ze waren in staat het energieverlies te halveren van 4 procent naar slechts 2 procent.

Hun onderzoekswerk werd uitgevoerd als onderdeel van het Zwitserse nationale onderzoeksprogramma "Energy Turnaround" (NRP 70), die is gericht op het onderzoeken van de technologieën die nodig zijn om de energiestrategie 2050 van het land te implementeren.

Gelijkrichten van wisselstroom

Spoorlocomotieven zijn slechts een van de vele toepassingen voor deze nieuwe transformatoren. "In tegenstelling tot conventionele transformatoren, slimme transformatoren kunnen worden aangestuurd, " legt Rothmund uit. Ze kunnen worden gebruikt in toekomstige elektriciteitsnetten, bekend als slimme netwerken, om de distributie van stroom actief te beheren en fluctuaties in elektriciteitsopwekking en -vraag op te vangen.

Het nieuwe systeem is niet alleen in staat om de frequentie van de wisselstroom op het net te wijzigen, maar ook van het omzetten van wisselstroom (AC) in gelijkstroom (DC). Een mogelijke toepassing zijn toekomstige grootschalige snellaadstations, die meerdere elektrische voertuigen tegelijk kan opladen. Deze laadpunten kunnen dan direct worden aangesloten op het bestaande middenspannings-wisselstroomnet, met de efficiënte compacte transformatoren die vervolgens de middenspanning naar de gewenste spanning brengen. "Batterijen worden opgeladen met een relatief lage gelijkspanning, "Rothmund legt uit, toe te voegen:"Vergeleken met de conventionele technologie, slimme transformatoren hebben een voorsprong als het gaat om het produceren van gelijkstroom uit een middenspannings-wisselstroomnet."

Een andere categorie grootverbruikers die baat heeft bij deze ontwikkeling zijn datacenters. Door hen te voorzien van efficiëntere stroomvoorzieningssystemen zou niet alleen hun elektriciteitsrekening dalen, maar ook de hoeveelheid geproduceerde afvalwarmte, waardoor de energie die nodig is voor koeling wordt geminimaliseerd.

Ironisch, de nieuwe technologie zou wel eens meer kunnen doen dan de ommekeer naar een nieuwe energie-economie die koolstofarm en geëlektrificeerd is, vergemakkelijken; het zou het ook gemakkelijker kunnen maken om moeilijk bereikbare voorraden fossiele brandstoffen te exploiteren. De olie- en gasindustrie werkt momenteel aan manieren om toegang te krijgen tot offshore-afzettingen in de diepe oceanen met behulp van onderzeese fabrieken in plaats van boorplatforms. Deze zouden voorzien zijn van pompen, compressoren en robots die zich op de oceaanbodem bevinden en elektriciteit putten uit een "navelstreng" die zich enkele kilometers uitstrekt naar het land. De nieuwe technologie betekent dat de kabels gelijkstroom kunnen vervoeren, die efficiënter kan worden verzonden dan AC over lange afstanden, terwijl een relatief kleine converter op de oceaanbodem de gelijkstroom kan omzetten in de wisselstroom die de machines nodig hebben.