Lekker, gesteriliseerde melk!

Micro-elektronica is met een grote vanzelfsprekendheid tot in elke uithoek van de samenleving doorgedrongen. Was vroeger nog Chriet Titulaer nodig om het volk mentaal voor te bereiden op de laatste gadgets, nu zijn de gsm’s, game-consoles en Furby’s niet meer aan te slepen. De mensheid is verslaafd geraakt aan elektronica.

De micro-elektronica heeft zo een alomtegenwoordige status bereikt die haar bijna onzichtbaar maakt. Aan het andere uiteinde van de elektronische schaal zit een vakgebied dat minder in het oog springt, maar de komende tijd flink aan belang zal winnen. De vermogenselektronica moet er straks voor zorgen dat de liberalisering van de energiemarkt en het groeiende aanbod van groene elektriciteit in goede banen wordt geleid.

,,Er zijn plannen voor offshoreparken met zo’n honderd opgeschaalde windturbines, ieder met een vermogen van drie tot vijf megawatt. De grote vraag is hoe je die energie zo efficiënt mogelijk verzamelt en naar land transporteert”, licht ir. Sjoerd de Haan van de afdeling Electrical Power Processing (EPP) van de faculteit ITS toe.

Grootschalige inzet van groene energie werpt nieuwe problemen op. Het energieaanbod van windturbines fluctueert sterk door wisselende weersomstandigheden. In een windpark met tientallen turbines volgen de spanningspieken en -dalen elkaar in een hoog en onvoorspelbaar tempo op. In het elektrische leidingstelsel dat de windenergie bundelt en aan land brengt, werken die schommelende megawatts ook nog eens op elkaar in. Het resultaat is elektrische chaos. En dat terwijl de consument thuis gewoon 230 volt van zijn wandcontactdoos verlangt. ,,Met de conventionele wisselspanningstechnieken is dit moeilijker in de hand te houden”, merkt De Haan echter op.

Gloeilampen

Het elektriciteitsnet wordt vaak vergeleken met het waterleidingstelsel: er staat spanning op, en als je stroom nodig hebt draai je gewoon de kraan open. Die versimpeling gaat niet meer op.

,,Gebruikers stellen steeds hogere eisen aan de energievoorziening. Vroeger hadden we alleen stroom nodig voor gloeilampen, stofzuigers en radio’s. Als de spanning wat varieerde of één tiende seconde wegviel, was dat geen enkel probleem. Maar inmiddels leven we in een elektronische wereld. Iedereen heeft thuis een computer of andere gevoelige apparatuur staan die bij kleine spanningsverschillen al van slag raakt, of zelfs kan beschadigen. Daarom moet de continuïteit en de kwaliteit van de geleverde elektriciteit op een veel hoger peil staan.”

Toch is dit lang niet altijd het geval. Bij deelektriciteitsdistributie spelen passieve componenten als transformatoren nog steeds een sleutelrol. Een grote makke ervan is het lage rendement. Zo verstookt een audioversterker met een zware voeding ongeveer de helft van de opgenomen energie in de vorm van warmte, waardoor er extra koellichamen nodig zijn om de hitte netjes af te voeren. Dat maakt de apparatuur groot en zwaar, het onvermijdelijke wisselgeld voor meer vermogen.

Ook de transformatorhuisjes in woonwijken, die de tienduizend volt van het distributienet terugbrengen naar een meer huiselijk niveau, zitten nog vol met dit soort haast ambachtelijke elektrotechniek. Deze grote transformatoren zijn niet regelbaar. Plotselinge veranderingen in de spanning kunnen dus niet adequaat opgevangen worden.

Om de kwaliteit van de elektriciteitsvoorziening te waarborgen, wordt daarom steeds vaker vermogenselektronica ingezet. De Haan: ,,Vermogenselektronica heeft een breed spectrum van toepassingen, van polshorloges tot de aandrijving van treinen. Je kunt er namelijk zeer nauwkeurig en snel mee regelen, spot on noemen we dat. Het voordeel ten opzichte van traditionele technieken als trafo’s is de nauwkeurigheid en snelheid, het zeer hoge rendement en de bescheiden afmetingen.”

De voeding van bureaucomputers, ook wel switch mode power supply genoemd, is een wijdverbreid voorbeeld van vermogenselektronica. Deze bestaat uit een elektronische schakeling die de ingaande stroom razendsnel in stukjes hakt, alsof de kraan constant open en dicht wordt gedraaid. Omdat dit tienduizenden keren per seconde gebeurt, lijkt de stroom die uit de voeding komt toch ononderbroken te zijn. Door met de tijdsduur te spelen waarin de stroomkraan open en dicht staat, kan de gemiddelde spanning zeer nauwkeurig en real time geregeld worden. Daarbij haalt een schakelende voeding een rendement dat dicht bij de honderd procent kan liggen.

Afsluiten

Voor energiebedrijf Eneco ontwierp EPP tussen 1995 en 1998 een soortgelijk apparaat. Deze electronic tap changer is inmiddels gepatenteerd en wordt binnenkort in proefserie gebouwd door HMA Power Systems in Ridderkerk. Eneco wil het systeem gaan gebruiken om de kwaliteit van de netspanning per wijk te regelen. De tap changer wordt een extra regelsysteem in de transformatorhuisjes, en zorgt ervoor dat eventuele spanningsvariaties meteen worden gladgestreken.

Deze toepassing van vermogenselektronica is pas sinds kort mogelijk, vertelt prof.dr. J.A. Ferreira. ,,Vijf jaar geleden kon dit nog niet. Doordat de kwaliteit van de halfgeleiders intussen sterk is verbeterd, is vermogenselektronica nu ook beschikbaar voor zeer grote vermogens en spanningen in de orde van tien kilovolt. Ik verwacht dan ook dat de markt voor hoogvermogenselektronica de komende jaren sterk zal groeien.”

Dat opent onvermoede mogelijkheden voor de energiebedrijven. De Haan: ,,Ik ben ervan overtuigd dat de vrije energiemarkt ertoe zal leiden dat energiebedrijven straks verschillende kwaliteiten elektriciteit gaan leveren. Duurdere, gegarandeerd ononderbroken spanning voor bijvoorbeeld de procesindustrie, en een goedkoperpakket voor consumenten dat minder continuïteit biedt. Die zullen dan eerder afgesloten worden als er een storing optreedt.”

Maar voordat het zover is, moet de vermogenselektronica nog een flinke inhaalslag maken. De voornaamste drempel voor een grootschalige inzet is het huidige gebrek aan integratie. Consumentenelektronica bevat sinds jaar en dag geïntegreerde circuits die een groot aantal functies op één chip bundelen. Vermogenselektronica bestaat daarentegen uit losse onderdelen die op een circuit board aan elkaar gefriemeld worden.

Die discrete opbouw maakt de regelapparaten relatief duur. Ferreira: ,,We willen daarom uiteindelijk toe naar een monolithische opbouw, waarin alle componenten via verschillende processtappen in één geïntegreerd circuit worden ondergebracht. Net als in de micro-elektronica eigenlijk, maar dan op een veel grotere schaal. Normaal haal je uit een wafer silicium tientallen microchips, wij zullen daaruit dan net één complete schakeling kunnen maken.”

Microben

Intussen is de afdeling betrokken bij twee projecten die vrij revolutionair zijn. Zo werkt EPP aan een voorstudie voor de Archimedes Wave Swing, een generator die elektriciteit uit zeegolven opwekt. Dit pilotproject moet eind dit jaar gestalte krijgen voor de Portugese kust, en zal op termijn vier megawatt vermogen leveren.

Verder wordt er samen met onder meer Unilever en Stork druk gesleuteld aan een alternatieve sterilisatiemethode. ,,Sterilisatie van zuivelproducten gebeurt nu thermisch, daarbij wordt de vloeistof korte tijd verhit tot 140 graden Celsius”, vertelt De Haan. ,,Dat kost natuurlijk erg veel energie én schoonmaakmiddel. Omdat de verhittingselementen langzaam aanbranden, moeten ze namelijk geregeld worden schoongemaakt.”

Het consortium, dat gesteund wordt door het programma Economie, Energie en Technologie van het ministerie van Economische Zaken, denkt hetzelfde te kunnen bereiken met een sterk, pulserend elektrisch veld. ,,Dat heeft als voornaamste voordeel dat het product minder wordt aangetast. Biologen van ATO-DLO, TNO-voeding en Coberco zijn nu aan het bekijken wat er voor nodig is om de sporen van microben volledig te deactiveren.”

Daarmee komen de grenzen van het mogelijke overigens wel erg dichtbij: de proefopstelling trekt straks ongeveer één gigawatt vermogen. ,,Dat klinkt erg vreemd als je energie wilt besparen, maar die pulsjes duren een paar microseconden. Het energieverbruik valt dus erg mee. En daar draait het project tenslotte om.”

Op de korte termijn valt er geen prijsdaling van melk, jus d’orange of tomatenketchup te verwachten. Het pulsed electric field onderzoek duurt nog drie jaar. Tot die tijd smaakt houdbare melk als houdbare melk.

Micro-elektronica is met een grote vanzelfsprekendheid tot in elke uithoek van de samenleving doorgedrongen. Was vroeger nog Chriet Titulaer nodig om het volk mentaal voor te bereiden op de laatste gadgets, nu zijn de gsm’s, game-consoles en Furby’s niet meer aan te slepen. De mensheid is verslaafd geraakt aan elektronica.

De micro-elektronica heeft zo een alomtegenwoordige status bereikt die haar bijna onzichtbaar maakt. Aan het andere uiteinde van de elektronische schaal zit een vakgebied dat minder in het oog springt, maar de komende tijd flink aan belang zal winnen. De vermogenselektronica moet er straks voor zorgen dat de liberalisering van de energiemarkt en het groeiende aanbod van groene elektriciteit in goede banen wordt geleid.

,,Er zijn plannen voor offshoreparken met zo’n honderd opgeschaalde windturbines, ieder met een vermogen van drie tot vijf megawatt. De grote vraag is hoe je die energie zo efficiënt mogelijk verzamelt en naar land transporteert”, licht ir. Sjoerd de Haan van de afdeling Electrical Power Processing (EPP) van de faculteit ITS toe.

Grootschalige inzet van groene energie werpt nieuwe problemen op. Het energieaanbod van windturbines fluctueert sterk door wisselende weersomstandigheden. In een windpark met tientallen turbines volgen de spanningspieken en -dalen elkaar in een hoog en onvoorspelbaar tempo op. In het elektrische leidingstelsel dat de windenergie bundelt en aan land brengt, werken die schommelende megawatts ook nog eens op elkaar in. Het resultaat is elektrische chaos. En dat terwijl de consument thuis gewoon 230 volt van zijn wandcontactdoos verlangt. ,,Met de conventionele wisselspanningstechnieken is dit moeilijker in de hand te houden”, merkt De Haan echter op.

Gloeilampen

Het elektriciteitsnet wordt vaak vergeleken met het waterleidingstelsel: er staat spanning op, en als je stroom nodig hebt draai je gewoon de kraan open. Die versimpeling gaat niet meer op.

,,Gebruikers stellen steeds hogere eisen aan de energievoorziening. Vroeger hadden we alleen stroom nodig voor gloeilampen, stofzuigers en radio’s. Als de spanning wat varieerde of één tiende seconde wegviel, was dat geen enkel probleem. Maar inmiddels leven we in een elektronische wereld. Iedereen heeft thuis een computer of andere gevoelige apparatuur staan die bij kleine spanningsverschillen al van slag raakt, of zelfs kan beschadigen. Daarom moet de continuïteit en de kwaliteit van de geleverde elektriciteit op een veel hoger peil staan.”

Toch is dit lang niet altijd het geval. Bij deelektriciteitsdistributie spelen passieve componenten als transformatoren nog steeds een sleutelrol. Een grote makke ervan is het lage rendement. Zo verstookt een audioversterker met een zware voeding ongeveer de helft van de opgenomen energie in de vorm van warmte, waardoor er extra koellichamen nodig zijn om de hitte netjes af te voeren. Dat maakt de apparatuur groot en zwaar, het onvermijdelijke wisselgeld voor meer vermogen.

Ook de transformatorhuisjes in woonwijken, die de tienduizend volt van het distributienet terugbrengen naar een meer huiselijk niveau, zitten nog vol met dit soort haast ambachtelijke elektrotechniek. Deze grote transformatoren zijn niet regelbaar. Plotselinge veranderingen in de spanning kunnen dus niet adequaat opgevangen worden.

Om de kwaliteit van de elektriciteitsvoorziening te waarborgen, wordt daarom steeds vaker vermogenselektronica ingezet. De Haan: ,,Vermogenselektronica heeft een breed spectrum van toepassingen, van polshorloges tot de aandrijving van treinen. Je kunt er namelijk zeer nauwkeurig en snel mee regelen, spot on noemen we dat. Het voordeel ten opzichte van traditionele technieken als trafo’s is de nauwkeurigheid en snelheid, het zeer hoge rendement en de bescheiden afmetingen.”

De voeding van bureaucomputers, ook wel switch mode power supply genoemd, is een wijdverbreid voorbeeld van vermogenselektronica. Deze bestaat uit een elektronische schakeling die de ingaande stroom razendsnel in stukjes hakt, alsof de kraan constant open en dicht wordt gedraaid. Omdat dit tienduizenden keren per seconde gebeurt, lijkt de stroom die uit de voeding komt toch ononderbroken te zijn. Door met de tijdsduur te spelen waarin de stroomkraan open en dicht staat, kan de gemiddelde spanning zeer nauwkeurig en real time geregeld worden. Daarbij haalt een schakelende voeding een rendement dat dicht bij de honderd procent kan liggen.

Afsluiten

Voor energiebedrijf Eneco ontwierp EPP tussen 1995 en 1998 een soortgelijk apparaat. Deze electronic tap changer is inmiddels gepatenteerd en wordt binnenkort in proefserie gebouwd door HMA Power Systems in Ridderkerk. Eneco wil het systeem gaan gebruiken om de kwaliteit van de netspanning per wijk te regelen. De tap changer wordt een extra regelsysteem in de transformatorhuisjes, en zorgt ervoor dat eventuele spanningsvariaties meteen worden gladgestreken.

Deze toepassing van vermogenselektronica is pas sinds kort mogelijk, vertelt prof.dr. J.A. Ferreira. ,,Vijf jaar geleden kon dit nog niet. Doordat de kwaliteit van de halfgeleiders intussen sterk is verbeterd, is vermogenselektronica nu ook beschikbaar voor zeer grote vermogens en spanningen in de orde van tien kilovolt. Ik verwacht dan ook dat de markt voor hoogvermogenselektronica de komende jaren sterk zal groeien.”

Dat opent onvermoede mogelijkheden voor de energiebedrijven. De Haan: ,,Ik ben ervan overtuigd dat de vrije energiemarkt ertoe zal leiden dat energiebedrijven straks verschillende kwaliteiten elektriciteit gaan leveren. Duurdere, gegarandeerd ononderbroken spanning voor bijvoorbeeld de procesindustrie, en een goedkoperpakket voor consumenten dat minder continuïteit biedt. Die zullen dan eerder afgesloten worden als er een storing optreedt.”

Maar voordat het zover is, moet de vermogenselektronica nog een flinke inhaalslag maken. De voornaamste drempel voor een grootschalige inzet is het huidige gebrek aan integratie. Consumentenelektronica bevat sinds jaar en dag geïntegreerde circuits die een groot aantal functies op één chip bundelen. Vermogenselektronica bestaat daarentegen uit losse onderdelen die op een circuit board aan elkaar gefriemeld worden.

Die discrete opbouw maakt de regelapparaten relatief duur. Ferreira: ,,We willen daarom uiteindelijk toe naar een monolithische opbouw, waarin alle componenten via verschillende processtappen in één geïntegreerd circuit worden ondergebracht. Net als in de micro-elektronica eigenlijk, maar dan op een veel grotere schaal. Normaal haal je uit een wafer silicium tientallen microchips, wij zullen daaruit dan net één complete schakeling kunnen maken.”

Microben

Intussen is de afdeling betrokken bij twee projecten die vrij revolutionair zijn. Zo werkt EPP aan een voorstudie voor de Archimedes Wave Swing, een generator die elektriciteit uit zeegolven opwekt. Dit pilotproject moet eind dit jaar gestalte krijgen voor de Portugese kust, en zal op termijn vier megawatt vermogen leveren.

Verder wordt er samen met onder meer Unilever en Stork druk gesleuteld aan een alternatieve sterilisatiemethode. ,,Sterilisatie van zuivelproducten gebeurt nu thermisch, daarbij wordt de vloeistof korte tijd verhit tot 140 graden Celsius”, vertelt De Haan. ,,Dat kost natuurlijk erg veel energie én schoonmaakmiddel. Omdat de verhittingselementen langzaam aanbranden, moeten ze namelijk geregeld worden schoongemaakt.”

Het consortium, dat gesteund wordt door het programma Economie, Energie en Technologie van het ministerie van Economische Zaken, denkt hetzelfde te kunnen bereiken met een sterk, pulserend elektrisch veld. ,,Dat heeft als voornaamste voordeel dat het product minder wordt aangetast. Biologen van ATO-DLO, TNO-voeding en Coberco zijn nu aan het bekijken wat er voor nodig is om de sporen van microben volledig te deactiveren.”

Daarmee komen de grenzen van het mogelijke overigens wel erg dichtbij: de proefopstelling trekt straks ongeveer één gigawatt vermogen. ,,Dat klinkt erg vreemd als je energie wilt besparen, maar die pulsjes duren een paar microseconden. Het energieverbruik valt dus erg mee. En daar draait het project tenslotte om.”

Op de korte termijn valt er geen prijsdaling van melk, jus d’orange of tomatenketchup te verwachten. Het pulsed electric field onderzoek duurt nog drie jaar. Tot die tijd smaakt houdbare melk als houdbare melk.