Evropský projekt Shift2DC - přepneme na stejnosměrné napájení?

V rámci iniciativy Horizon Europe vznikl výzkumný a vývojový projekt Shift2DC, který bude zkoumat výhody stejnosměrného napájení. Tento ambiciózní program EU je aktuálně v 10. měsíci, bude trvat 42 měsíců (od prosince 2023 do června 2027) a jeho cílem je revoluční návrh, implementace a identifikování výhod stejnosměrných (DC) řešení, která umožní inteligentnější, efektivnější a ekologičtější energetickou infrastrukturu.

Konsorcium Shift2DC koordinuje portugalský výzkumný a vývojový institut INESC ID. Sdružuje 33 akademických a průmyslových partnerů ze 13 evropských zemí. Patří mezi ně EDF, CIRCE a RWTH Aachen University, stejně jako dvě hlavní nadace EU pro stejnosměrný proud (Current OS a ODCA), nezávislé laboratoře a mnoho předních inovátorů v oblasti elektrotechniky a řízení spotřeby. Projekt financuje EU jedenácti miliony eur.

Konsorcium Shift2DC bude vyvíjet, testovat a ověřovat nová řešení používající stejnosměrný proud, která podporují přechod na udržitelnější energetiku, a hodnotit jejich reálnou proveditelnost, dopad na životní prostředí a nákladovou efektivitu. Aby se umožnila snadnější integrace stejnosměrných řešení v různých odvětvích, včetně datových center, průmyslových sítí, obytné a přístavní infrastruktury, vytvoří konsorcium agnostické návrhové nástroje, prototypová zařízení a sofistikované systémy řízení energie přizpůsobené pro stejnosměrné aplikace středního a nízkého napětí.

V nadcházejících měsících bude konsorcium Shift2DC využívat kombinaci digitálních dvojčat, živých laboratoří a reálných testovacích míst k prozkoumání různých řešení DC a k identifikaci nejslibnějších technologií a obchodních modelů. Kromě toho projekt usnadní integraci technologií stejnosměrného proudu do stávajících energetických systémů vytvořením standardizovaného implementačního rámce a vývojem uživatelsky přívětivých nástrojů pro navrhování a plánování. Výsledky projektu nakonec podpoří také definici regulačních norem, které mohou dále urychlit zavádění stejnosměrných řešení napájení.

Demonstrační zařízení

Řešení a strategie Shift2DC budou testovány ve čtyřech demonstračních zařízeních nainstalovaných ve třech evropských zemích: dvě v Německu (datacentra a průmysl), a po jednom ve Francii (budovy) a Portugalsku (přístav) pro testování stejnosměrného středního napětí (MVDC) a nízkého napětí (LVDC). Kromě toho budou vytvořeny dvě živé laboratoře, které budou testovat vyvinutá řešení a algoritmy.

Datové centrum

Demonstrátor datového centra se nachází v prostorách společnosti Bachmann (Stuttgart, Německo). Bude mít podobu kontejneru, ve kterém budou dva různé oddíly napájené stejnou distribuční sítí DC.

Budova

Reálný demonstrátor komerční budovy projektu Shift2DC bude vyvinut ve Francii v budově, která zahrnuje fotovoltaiku, elektrická vozidla  a DC zátěže.

Průmysl

Průmyslový demonstrátor vyroste v Německu v EATON/RWTH, kde budou demonstrovány systémy připojení stejnosměrného středního napětí (MVDC) a ochrany, a ve společnosti PHOENIX, kde se bude testovat rozhraní nízkého napětí střídavého a stejnosměrného proudu (LVAC/LVDC).

Přístav

Demonstrátor pro přístav bude ve Funchalu (ostrov Madeira, Portugalsko) a má dva hlavní cíle: studovat potenciál DC v přístavech využitím digitálního dvojčete přístavu ve Funchalu a analyzovat uživatelské perspektivy. 

Výhody stejnosměrného napětí 

1. Stabilita: DC napětí je konstantní a nemění směr, což je ideální pro elektronická zařízení, která vyžadují stabilní napájení.
2. Efektivita: Při přenosu na krátké vzdálenosti je DC napětí efektivnější, protože ztráty jsou menší než u střídavého napětí (AC).
3. Jednoduchost: DC systémy jsou jednodušší na návrh a údržbu, což může snížit náklady.
4. Bezpečnost: DC napětí je obecně považováno za bezpečnější pro nízkonapěťové aplikace, jako jsou baterie a solární panely.

 Nevýhody stejnosměrného napětí 

1. Přenos na dlouhé vzdálenosti: Při přenosu na dlouhé vzdálenosti dochází k větším ztrátám energie ve srovnání se střídavým napětím (AC).
2. Transformace napětí: Transformace napětí je složitější a méně efektivní než u AC, což může být problém při potřebě měnit napětí pro různé aplikace.
3. Náklady na infrastrukturu: Infrastruktura pro přenos a distribuci DC napětí může být dražší, zejména pokud je potřeba přeměnit stávající AC systémy na DC.
4. Kompatibilita: Většina domácích a průmyslových zařízení je navržena pro AC napětí, což může omezit použití DC v některých aplikacích.

 Transformace DC

Transformace stejnosměrného napětí (DC) je složitější než u střídavého napětí (AC). Aby bylo možné stejnosměrné napětí transformovat, musí se nejprve převést na střídavé napětí. Tento proces zahrnuje několik kroků a zařízení:

1. Invertor: Stejnosměrné napětí se pomocí invertoru přemění na střídavé napětí.
2. Transformátor: Střídavé napětí se poté transformuje na požadovanou úroveň napětí pomocí transformátoru.
3. Usměrňovač: Nakonec se střídavé napětí opět přemění na stejnosměrné. Klasické transformátory fungují pouze se střídavým napětím.

Nejrozšířenější zdroje stejnosměrného proudu:

1. galvanický článek– jedná se buď o primární články (např. tužková baterie) určené k napájení spotřebičů s malým příkonem nebo články sekundární – akumulátory – určené pro energeticky náročnější přenosné spotřebiče (např. mobilní telefon),
2. fotovoltaický článek– používaný k napájení malých kapesních kalkulátorů, ale i pro stavbu mohutných fotovoltaických elektráren,
3. termočlánek– napájí meziplanetární sondy jako součást radioizotopového termoelektrického generátoru,
4. dynamo– dříve nejrozšířenější stejnosměrný zdroj, nyní zcela vytlačen alternátorem s usměrňovačem,
5. usměrňovač– umožňuje získat stejnosměrný proud ze střídavého, většinou síťového proudu.

 Použití DC

Historicky první se využíval právě stejnosměrný proud. O jeho rozšíření se zasloužil svými vynálezy především Thomas Alva Edison, který stále lpěl na jeho využívání, i když se koncem 19. století ukázalo, že pro přenos elektřiny na delší vzdálenosti se hodí více proud střídavý, podporovaný naopak Nikolou Teslou.

1. Stejnosměrný proud se používá pro trakčnínapájení v dopravě, tj. pro napájení hnacích vozidel (lokomotiv, trolejbusů, vozů metra či tramvají).
2. Stejnosměrný proud se využívá pro elektrolýzunebo galvanické pokovování.
3. Stejnosměrný proud je nutné použít v obvodech, které využívají jeho vlastností – například proto, že obsahují součástkycitlivé na směr proudu. To je například elektrolytický kondenzátor nebo tranzistor.

 Více se o projektu dozvíte na Shift2DC, LinkedInu a Twitteru.