Alalis- ja vahelduvvool: teekond minevikust Euroopa Liidu roheleppeni

Aasta oli 1886, kui Ameerika Ühendriikide leiutaja ja ärimees Thomas Alva Edison ehitas kõikjale üle maa elektrijaamu ning jaotusvõrke. Vanamoodsad gaasi- ja petrooleumilambid asendati hõõglampidega ja lisandusid elektrilised kodumasinad. Tundus, et 110-voldine alalisvoolu elektrisüsteem oli tulnud, et jääda. Kirjutab Gerli Ramler.

Samal aastal asutas insener ja ärimees George Westinghouse Pittsburgh’is firma Westinghouse Electric, mis hakkas oma 500/110-voldiste vahelduvvoolu elektrisüsteemidega kiiresti Edisonile konkurentsi pakkuma. Edison läks vasturünnakule ja esialgu saavutati turunduslike nippide ja tarbijate hirmutamisega edumaa, kuid mitte kauaks.  

Vahelduvvoolusüsteemidel on lihtsalt nii palju eeliseid. Trafo abil on väga lihtsalt, töökindlalt ja efektiivselt võimalik vahelduvvooluvõrgus pinget tõsta ning langetada. Kõrgem pinge tähendab sama võimsuse juures väiksemat voolu, väiksemat energiakadu elektriliinis, peenemaid juhtmeid ja odavamaid seadmeid. Suured elektrijaamad ühendatakse kaugel asuvate tarbijatega kõrgepingeliinidega ja pinget alandatakse trafodega tarbijate läheduses. Nikolai Tesla 1887. aastal leiutatud vahelduvvoolu asünkroonmootorid olid oma töökindluse ja tõhususe poolest peajagu üle alalisvooluga töötavatest mootoritest. 1890. aastal hakkas ka Edisoni firma vahelduvvoolusüsteeme arendama ja alalisvoolusüsteemid kadusid mõne kümnendiga ajaloo prügikasti. Aga kas ikka kadusid?

131 aastat hiljem räägitakse jälle alalisvoolust ja alalisvoolu elektrisüsteemidest, ent miks? Naaseme aastasse 1947, mil firmas Bell Laboratories välja arendatud transistor tegi revolutsiooni elektroonikas ning MOSFET (1959) ja Jaapani Mitsubishi Electricu (1968) loodud IGBT transistorid jõuelektroonikas. Nendel transistoridel põhinevad muundamisseadmed lubavad efektiivselt pinget tõsta, langetada, muundada alalisvoolu vahelduvvooluks ja vastupidi, juhtida elektrimootoreid ning laadida akusid. Just elektrienergia lihtsa muundamise võimalus on olnud vahelduvvoolusüsteemide põhiliseks eeliseks. Aja jooksul on selgunud, et ka alalisvoolu elektrisüsteemidel on mitmeid olulisi eeliseid.

Esiteks, ligi 70% majapidamistes ja tööstusettevõtetes kasutatavatest seadmetest on juba tegelikult alalisvooluga toimivad ning vajavad spetsiaalseid vahelduv/alalistüüpi toiteplokke. Tööstuses on umbes 65% elektrimootoritest juhitavad läbi sagedusmuundurite. Peaaegu kõigis sagedusmuundurites alaldatakse vahelduvvool esimeses muundamisastmes kõigepealt alalisvooluks. Igas vahelduvvooluga töötavas LED-lambis on väike integreeritud alaldi. IT ja tööstuse juhtseadmed töötavad 100% alalisvooluga ning vajavad spetsiaalseid vahelduvvoolu-alalisvoolu toiteplokke. Vahelduvvoolust alalisvooluks muundamine tekitab aga lisakadusid kuni 25%, tõstab seadmete hinda ja langetab nende töökindlust.

Teiseks, populaarsust koguvad rohelise energia tootmise ja salvestamise seadmed, nagu päikesepaneelid, kütuselemendid ja akusalvestid, on alalisvooluväljundiga. Kuni 70% praegu installeeritavatest energiaallikatest töötavad alalisvooluga ja kõigi nende sidumiseks vahelduvvoolusüsteemidega on vaja kalleid ja keerulisi võrguga sünkroniseeritud vaheldeid. Isegi enamikku väikestest elektrituulikutest ei saa otse vahelduvvooluvõrguga siduda. Seega toetab üleminek alalisvooluvõrkudele otseselt kauaoodatud rohepööret, elektrienergia hajatootmist ning hajutatud salvestusvõimekust.

Kolmandaks suundub Euroopa Liit liginullenergiahoonete ehitamise poole. Meie oludes on selle saavutamiseks vaja kasutada taastuvenergiaallikaid, näiteks päikesepaneele. Euroopas on 90% hoonete katusepinnast kasutamata ning 80% Euroopa kodumajapidamistest võiks ise toota elektrit soodsamalt, kui võrgust ostes. Kasutades hoonesisest alalisvooluvõrku, jääb energiasääst hinnanguliselt 9–20% vahele, sõltuvalt elektrit tarbivate seadmete tüübist ja arvust.

Neljandaks faktoriks on üha kasvav elektriautode arv. Prognooside järgi moodustavad kasutusesolevate elektriautode laadimisvõimsused aastaks 2030 kokku kuni poole Euroopa võrgu võimsusest. See seab suured piirangud laadimisvõimekusele olukordades, kus kõik tarbijad soovivad samaaegselt oma neljarattalist laadida. Jättes elektriautode laadijatest välja alaldi, äratab kokkuhoitava energia hulk aukartust.

Viienda eelisena võib välja tuua ka alalisvooluvõrkudes reaktiivenergia ja võimsusteguriga seonduvate probleemide puudumist.

Vahelduvvoolusüsteemide eelistena võib kokkuvõtvalt üles lugeda aga lihtsat ja odavat pinge tõstmist ja langetamist trafodega, lihtsama konstruktsiooniga kaitse- ja lülitusaparaate ning võimalust asünkroonmootoreid otse elektrivõrgust käitada.

Kõik need alalisvoolu eelised võtavad arvesse ja toetavad ka EL-i rohelepet „Fit for 55“ , mille alusel EL soovib saada esimeseks kliimaneutraalseks maailmajaoks, vähendades kasvuhoonegaaside heitkoguseid 2030. aastaks 55 %. Rohepööre toob kaasa kiire taastuvenergia osakaalu tõusu, vajaduse selle kohapealseks tarbimiseks ning energiatõhususe suurendamise, kahandamaks heitkoguseid ja era- ning tööstustarbijate energiakulu. Elektrifitseerimine ja elektriautode revolutsioon paneb suure surve elektrivõrgule ning suurendab materjalide tarbimist (eriti vase, näiteks kui Suurbritannia läheb aastaks 2040 täielikult üle elektriautodele, kasvab maailma vasetoodang kaks korda, kogu EL puhul 15–20 korda. 

EL-i roheleppe „Fit for 55“ („Eesmärk 55“) sihid: 

• Vähendada aastaks 2030 autode heiteid 55%
• Vähendada aastaks 2030 kaubikute heiteid 50%
• Tagada, et uued autod oleks 2035 heitevabad
• Taastuvenergia eesmärk 40% kogu energiaallikate jaotuses 2030 aastaks (sh hoonetes 49% ulatuses)
• Lõpp- ja primaarenergia tarbimise energiatõhususe tõstmise eesmärgid vastavalt 36–39% 2030 aastaks
• Suurendada süsiniku looduslikku sidumist EL-is, 230 (vana) -268 (praegu) -310 (tulevikus)

Euroopa rohelise kokkuleppe keskmes on kolm peamist puhtale energiale ülemineku põhimõtet, millega aidatakse vähendada kasvuhoonegaaside heidet ja parandada elanike elukvaliteeti – seada esikohale süsteemi energiatõhusus, parandada hoonete energiatõhusust ja arendada välja enamasti taastuvatel energiaallikatel põhinev energiasektor.

Euroopa Komisjoni peamised eesmärgid selle saavutamiseks on järgmised:

• Luua omavahel ühendatud energiasüsteemid ja paremini lõimitud elektrivõrgud, et toetada taastuvate energiaallikate kasutust
• Edendada uuenduslikke tehnoloogiaid ja nüüdisaegset taristut
• Edendada EL-i energiastandardeid ja -tehnoloogiat ülemaailmsel tasandil

Samuti on kohustus renoveerida igal aastal vähemalt 3% avaliku sektori hoonetest.

Kõik need eesmärgid toetavad ka otseselt alalisvoolu lahenduste ja mikrovõrkude tulekut, mis hetkel ühe ainukese reaalse lahendusena veel puudu, et jõuda maksimaalse rohepöördeni, suurendades nii süsteemi efektiivsust, töökindlust ja paindlikkust.

Samas võib ülemaailmselt vahelduvvoolusüsteemidesse tehtud investeeringuid hinnates öelda, et muutus ei sünni revolutsioonina üleöö, vaid pigem loomuliku protsessi käigus evolutsioonina. Sarnasusi võib leida selles, kuidas sisepõlemismootoriga autod ajapikku hobutranspordi tagaplaanile jätsid ja mis nüüd omakorda hakkavad asenduma elektriajamiga sõidukitega. Aja jooksul on loodud alalisvooluvõrkudesse sobivad lülitus- ja kaitseseadmed. Kokku on lepitud võrgupingetes ja elektrikvaliteedi alastes parameetrites. Vajalikud muundusseadmed on välja arendatud. Tulevikku vaadates võib öelda, et parim aeg alustamiseks on täna.

Alalisvoolusüsteemide arendamises on Madalmaad olnud esirinnas. Aastal 2018 anti Hollandis välja alalispingesüsteemide loomist reguleeriv standard NPR9090. Alalisvoolu mikrovõrkudes võib kasutada pingeid 350, 700 või 1400 volti ning võrk võib olla vastavalt kas uni- või bipolaarne (+350 V ja 0; +350 V, 0 ja –350 V või hoopis +700 V, 0 ja –700 V). Kodumajapidamistes on valdavaks siiski unipolaarsed 350-voldised süsteemid ning kõrgemat pinget kasutataks pigem tööstusettevõtetes ja elurajoonide vahelistes energiavõrkudes. Korrektse installatsiooni läbiviimiseks on valitud standardsed juhtmevärvid. Punane tähendab positiivset, valge negatiivset ning helesinine neutraalset elektrijuhti. Kaitsemaanduseks on teada-tuntud kolla-roheline, mis võib kindalaksmääratud punktides olla kokku ühendatud kas negatiivse, neutraalse või teatud erijuhtudel isegi positiivse elektrijuhiga. 

Eesti ei soovi arengust kõrvale jääda

Eesti ettevõte UBIK Solutions on koondanud kogu arendustegevuse ja energia alalisvoolusüsteemidesse sobivate muundamisseadmete loomisesse, kuna seadmete võrguga ühildamisel on võtmekoht jõuelektroonikamuunduritel. Ubik sündis aastal 2012, kui Eesti ärimehed ja teadlased panid seljad kokku, et kohaliku teaduspotentsiaali toel hakata uusi seadmeid looma. Efektiivsete alalisvooluvõrgulahenduste tarbijani toomiseks tehakse koostööd erinevate partneritega, nagu DC Systems, Schneider Electric ja Eaton. Ühiselt valitud Current/OS võrgustandard saab üheks oluliseks teerajajaks alalisvoolu mikrovõrkude arengus, kusjuures Ubiku DC Optiverter on hetkel ainuke Current OS alalisvooluvõrgu standardile sobiv päikese mikromuundur. 

Optiverter võimaldab tüüpilist päikesepaneeli väga lihtsalt ühendada standardse pingetasemega alalisvoolu elektrivõrguga. Optiverteri sisendpinge võib muutuda 10–60 voldini ja väljundpingeks on stabiliseeritud 350 V. Ühe muunduri väljundvõimsus on 350 W. Üks muundur paneeli kohta võimaldab väga paindlikku lähenemist energiasüsteemi ehitamisel ja täiendamisel. Täiustatud algoritmid ja patenteeritud tehniline lahendus võimaldavad paneelide osalise varjutuse ning vähese päikesevalguse tingimustes toota kuni 30% rohkem energiat võrreldes sarnaste lahendustega, mida kasutatakse vahelduvvooluvõrkudes.

Ubik teeb ilma ka väljaspool Eestit, näiteks tehakse koostööd Hollandi Eindhoveni tehnikaülikooli üliõpilasorganisatsiooniga Team CASA uudse, energiasäästliku ja ressursitõhusa hoone arendamisel. Sinna on integreeritud alalisvoolumikrovõrk ja vajalikud alalisvooluseadmed energiatootmisest tarbimiseni. Antud projekt tuleb uudsesse vastloodud targa elurajooni arendusse Helmondis. Ubiku DC OptiVerterite toel toimub seal päikeseenergia muundamine majapidamise tarbeks 350 VDC pingetasemel. Projekti toetab ja veab rahvusvaheline suurkorporatsioon Eaton, lisaks Ubikule on kaasatud mitmeid oma valdkonna ekspertettevõtteid, kes üheskoos loovad ainulaadse alalisvoolu mikrovõrgul toimiva majapidamise. See on etalonprojektiks ja suunanäitajaks edasiste sarnaste arenduste jaoks. 

Solar Road ammutab elektrit tühjast teepinnast

Hämaral ajal Tallinna Tehnikaülikooli Mektory hoone ümbruses liigeldes hämmastavad liiklejaid mahedat valgust kumavad kõnniteekivid. Tegemist on firma E-Pavement uudse lähenemisega linnade valgustamisse ja energiavarustusse. Nimelt sisaldavad kõik läbipaistvast massist valmistatud tänavakivid lisaks LED-valgustitele ka miniatuurseid päikesepaneele, võimaldades tühja teepinda elektri tootmiseks ära kasutada. Ubiku Optiverterid aga transpordivad toodetud energiat elektrivõrku meile kõigile tarbimiseks.

Näide reaalsest maailmast:

Kujutage ette, et meil on haridusasutus 30 õpilasega, kes kõik on kaasa võtnud mõne nutiseadme, mida soovivad ühtäkki laadida. Arvestades, et üks seade vajab võimsust 80 W, tähendab see 30 seadme puhul 2300 W energiavõrgust nõutavat võimsust. Alalisvoolu mikrovõrk koos USB-C liidestega tunneb ära iga õpilase aku laetuse taseme ja reguleerib laadimist prioriteetide seadmise abil, saavutamaks võrgu parim efektiivsus, arvestades samal ajal ka paigaldise koguvõimsust. See tähendab, et tühjemad akud saavad eelise peaaegu või täielikult laetud akude ees ja enam kui piisav paigaldise võimsus on 1000 W. Alalisvoolu mikrovõrk väldib ka võrgus ülekoormuse tekkimist, kohandades nõutavat võimsust saadaoleva võimsuse kogusega! Sarnane põhimõte toimib ka tulevaste, välistingimustes kasutatavate alalisvoolu tarkvõrkude puhul.

Ettevõttest Ubik Solutions kirjutasime põhjalikult septembrikuu ajakirjas Director/Inseneeria.