LAPP DC gerilim devrimi başladı
Endüstriyel tahrikler en büyük elektrik enerjisi tüketicileri arasındadır. DC güç kaynağına geçerek muazzam tasarruf sağlanabilir. Endüstri, araştırma ve standardizasyon kuruluşları zaten geleceğin enerji temini üzerinde çalışmaktadır. Sorular yine yanıtsız kalmaktadır;
örneğin: AC kabloları sonuç olarak doğru akım için de uygun mudur? LAPP bu soruyu araştırma projelerinde araştırmaktadır. Yapay zeka ve yeni 5G mobil radyo standardı muhtemelen şu anda dünya genelindeki endüstri olaylarına en çok dikkat çeken konular. Ancak, benzer şekilde köklü sonuçlara yol açabilecek başka bir konu daha var: enerji temininin doğru akıma geçişi (DC). Örneğin Hannover Messe 2019’da birçok stantta bununla ilgili bir konuşma yapıldı ve hatta LAPP, ilk bitmiş ürünlerini futureLab’te bile sergiledi. Entegre kablo ve bağlantı sistemlerinin dünya pazar lideri, Federal Ekonomi ve Enerji Bakanlığı 6. Enerji Araştırma Programı kapsamında finanse edilen DC Endüstri araştırma projesinde bağlı bir ortaktır. Araştırma projesi, merkezi dönüşüm ile DC şebekelerinin, özellikle üretimdeki güç üniteleri için enerji tasarruflu bir alternatif olarak nasıl oluşturulabileceği ve yenilenebilir enerjilerin daha iyi nasıl entegre edilebileceği sorusunu ele almaktadır. LAPP, belirli kablo tiplerinin uygunluğunu araştırmak ve DC ağına uygun kablolar geliştirmek için yer almaktadır.
LAPP’tan ilk ürünler
Doğrudan projeden çıkan ilk ürün, LAPP’ın SPS 2018’de sunduğu ÖLFLEX DC 100’dür. Kontrol kablosu, alternatif akım için iyi bilinen ÖLFLEX CLASSIC 100’e dayanmaktadır. Ancak damarların renk kodlaması DC kabloları için Şubat 2018’de güncellenen DIN EN 60445 (VDE 0197):2018-02 standardına uygundur: kırmızı, beyaz ve yeşil-sarı. Damarların yalıtımı özel PVC’den, kılıf ise PVC’den yapılmıştır. Hannover Messe 2019’da gösterilen yeni ürünler şunlardı: ara sıra esnek kullanım için ve sabit kurulum için tasarlanmış elektrikli tahrikler sağlamak için özel PVC yalıtımından yapılmış bir DC bağlantı kablosu olan ÖLFLEX DC SERVO 700. ÖLFLEX DC CHAIN 800 bir adım daha ileri gitmektedir. Mevcut araştırma sonuçlarına dayanarak kablo, TPE yalıtımı ile donatılmıştı ve dolayısıyla özellikle enerji kılavuzlama zincirlerde ve doğrusal hareketli makine parçalarında sürekli hareket için özellikle uygundur. LAPP ayrıca, DC endüstri konsorsiyumuna ait bir kablo olan ÖLFLEX DC 100 Hybrid’i de geliştirmiştir. DC hibrit kablo, güç iletimi için iki çekirdeğin yanı sıra koruyucu bir iletken, dört ekranlı damar çiftli bir Cat.6A veri kablosu, güvenli tork kapatma (acil durdurma) için iki damar ve fren için 24 voltluk bir kontrol çiftini içerir.
Büyük tasarruf potansiyeli
DC Endüstri Konsorsiyumu’ndaki ortaklar, enerji devrimi gerçekten başarılı olacaksa DC güç kaynağının çok önemli olduğu konusunda hemfikirdirler. Bunun nedeni, sadece güneş ve rüzgâr enerjisi gibi mümkün olan en büyük miktarda yenilenebilir enerjinin üretilmesi meselesi olmamasıdır. Sürdürülebilir bir enerji teminine dönüştürülme potansiyeli dikkate değer, ancak çoğu zaman göz ardı edilmektedir, aynı zamanda enerji tasarrufu da yatmaktadır. Endüstri burada özellikle talep edilmektedir. Almanya’da net elektriğin yüzde 48’i yani yılda yaklaşık 250 terawatt saat, endüstri tarafından tüketilmektedir. Bunun neredeyse yüzde 70’i elektrikli tahriklerden gelmektedir. Bu onları enerji tasarrufu için en büyük kaldıraç yapmaktadır.
Doğru akım beslemesi ile üretimde
yüzde 30’a varan enerji tasarrufu sağlanabilir. Doğru akımın kullanılması, sadece dönüşüm kayıplarını gereksiz kılmakla kalmaz aynı zamanda makineler frenlerken şebekeye daha fazla enerjinin beslenmesini sağlar. Elektronik hız kontrolü daha fazla tasarruf potansiyeli sunuyor çünkü birçok motor tam hızda çalışıyor, ancak bu bile gerekli olmayacaktır. Fakat hız kontrolü frekans dönüştürücüleri de enerji harcarlar çünkü AC gerilimi düzeltilerek üretilmesi gereken DC gerilimi ile çalışırlar. Bu, şebekeyi kararsız yapan harmonikler nedeniyle dönüşüm kayıplarına ve geri tepmelere yol açar.
Doğru akım temini, güç ünitelerinin frenleme sırasında tekrar DC şebekesine enerji besleyebilmeleri ideal ön koşul olacaktır. Elektrikli veya hibrit otomobillerde olduğu gibi bu enerji, sonraki ivmelerde tekrar kullanılmak üzere geçici olarak depolanacaktır. Ya da bu enerji, örneğin kaynak sırasında tüketicilere yüksek güç gereksinimleri sağlamak için kullanılabilir. Böylece şirketler, pik yükleri kesebilir ve kısa sürede şebekeden büyük miktarda enerji elde etmek zorunda kalmayabilir, bu da maliyetleri düşürür ve ayrıca şebekedeki yükü azaltır.
Sadece endüstri değil, konutlar da bundan fayda sağlayacaktır. LED ışıklarından endüstriyel tahriklere, elektrikli arabalara kadar birçok elektrik tüketicisi, gerçekte bu noktada soket üzerinden alternatif akımdan (AC) dönüştürülmesi gereken doğru akım tüketir. Ek olarak, her şeyden önce fotovoltaikler olmak üzere doğru akım üreten sistemler gittikçe daha fazla merkezi olmayan elektrik şebekesine elektrik beslemektedir.
Geleceğin enerji sistemi
Geleceğin enerji temini bu nedenle bugün olduğundan çok farklı görünebilir:
– Enerji üretimi: Şimdiye kadar, örneğin büyük kömür yakıtlı ve nükleer santrallerin jeneratörlerinde değil aynı zamanda su türbinlerinde de alternatif akım enerjisi üretimi kullanılmıştır. Transformatörler gerilimi 100.000’lerce volta yükseltmek için kullanılabilir ve bu da kablolardaki akımları ve dolayısıyla kayıpları düşük tutar.
– Enerji dağıtımı: Enerji şebekesine uzun zamandır enerjilerini yıldız şeklindeki çevre bölgelere dağıtan büyük enerji santralleri hâkimdir. Ancak yenilenebilir enerjilerin zaferiyle elektrik şebekesi, daha merkezi olmayan, daha küçük ölçekli ve gittikçe artan bir şekilde elektrik, üretildiği yerde tüketilmektedir. AC teknolojisi buradaki avantajlarından yararlanamamaktadır. Ancak uzun mesafelerde bile, alternatif akım ideal değildir. İletim kayıpları önemli ölçüde artmaktadır. Bu nedenle, örneğin Çin, ülkenin içindeki hidroelektrik santrallerinden kıyılardaki koylara kadar çok miktarda enerji taşıyan yüksek voltajlı doğru akım (HVDC) aktarımına sahip. Almanya’da da Alman hükümeti, kıyılardan güneye taşıyacak aşırı rüzgâr enerjisini yolları planlamaktadır. Bir HVDC bağlantısı – yapması iki kat daha pahalı olmasına rağmen düşük enerji kayıpları nedeniyle yaklaşık 400 kilometre uzunluğa ve deniz rüzgâr türbinlerini bağlamak için denizaltı kabloları durumunda 60 kilometreye değiyor. HVDC bağlantıları artık çok güvenilir. Güç elektroniği yoluyla enerji dönüşümündeki ilerleme, DC gerilimlerinin bir milyon volta dönüştürülmesini sağlamıştır.
– Enerji tüketimi: Evde veya fabrikalarda elektrik, topraklı prizler veya üç fazlı bağlantılar aracılığıyla alçak gerilim şebekeleri üzerinden dağıtılır. Bilgisayarlar ve diğer elektronik cihazlar veya LED lambalar doğru akımla çalışır ve şu anda dönüşüm için bir güç kaynağı ünitesi gerektirir.
Elektrikli arabalar önümüzdeki birkaç yıl içinde eklenecek. Endüstriyel güç ünitelerinde, DC ara devreli frekans dönüştürücüleri, hız kontrolü için giderek daha fazla kullanılmaktadır. Merkezi voltaj dönüşümüne sahip DC ağları, bu birçok dönüştürücüyü gereksiz kılar. Otomotiv endüstrisinde, tüm üretim birimlerine sadece doğru akım sağlayan pilot projeler vardır; ayrıca kısa süreli enerji depolaması için bataryalar da içerirler.
Giderek daha fazla kayıp
AC’den DC’ye geçiş için en ikna edici argüman verimliliktir. Geçmişte kömür yakıtlı ve nükleer santraller şebekeye alternatif akım beslerken ve elektrikli süpürgelerde ve ampullerde doğrudan kullanılırken Almanya’da elektrik enerjisi teminindeki genel verimlilik yüzde 65 civarındaydı. Diğer bir deyişle elektrik enerjisinin yaklaşık üçte biri, örneğin ısı kayıpları dolayısıyla kaybediliyordu. Günümüzde durum daha da kötüye gitmektedir çünkü fotovoltaik sistemler ve enerji santralleri ve batarya depolama sistemlerinin kurulumunun artması, şebekeye gittikçe daha fazla önce doğru gerilimden alternatif gerilime dönüştürülmesi gereken elektrik getirmektedir. Bu kayıplara neden olur. Aynısı tüketiciler için de geçerlidir; güç kaynağı birimleri enerjinin boşa harcandığının somut bir kanıtı olarak ısınır. Sonuç olarak Alman enerji ağının verimliliği, tahminen yüzde 56’ya düşmüş ve temel değişiklikler yapılmadıkça düşmeye devam edecektir. Sürekli olarak doğru akım için tasarlanmış bir enerji şebekesi, genel olarak yüzde 90 verime ulaşacaktır. Endüstride “sadece” tahrikler DC’ye geçilseydi fabrika başına yüzde 30’a varan ve Almanya genelinde yüzde on kadar güç tasarrufu olacaktı.
Birçok açık soru
Yüksek gerilim doğru akım iletimi kanıtlanmış ve kurulmuş olmakla birlikte alçak gerilim tarafında bir dizi teknik ve ekonomik sorun çözülmeyi beklemektedir.
Doğru akım ağları geniş bir cephede alternatif akımın yerini alacak mı? Her iki teknoloji de paralel olarak var olmaya devam edecek mi ve bir arada yaşam neye benzeyecek? Hangi teknik ve ekonomik engellerin aşılması gerekmektedir? Doğru akımla uğraşırken hangi güvenlik önlemleri gerekli ve mantıklıdır? Sadece ağlarda değil, kurulum dâhil tüketicilerde de doğru akıma geçiş yaparken ne gibi değişiklikler yapılması gerekir?
Henüz tartışılmamış bir soru ise şudur: AC için tasarlanmış kablolar DC için de uygun mu? Bu konuda şimdiye kadar bir araştırma sonucu bulunamamıştır. Ilmenau Teknik Üniversitesi’ndeki “Elektrikli Cihazlar ve Sistemler” dalında Prof. Frank Berger araştırma grubunun uzun süredir yaptığı testlerde artık ilk kez gerçekten önemli farklılıklar olduğu kanıtlanmıştır. 2,590 saatlik bir süre zarfında Berger’in ekibi, etkilerini hızlı harekette anlamak için 80 °C’deki bir su banyosunda çeşitli yalıtım malzemeleri olan tekli iletkenleri 1 kV DC voltaj ile yükledi. Test donanımı ve hatları LAPP tarafından tedarik edilmiştir.
Şaşırtıcı yaşlanma testleri
Sonuçlar ilgi çekicidir. 238 test numunesinin yüzde 44’ü, DC yükü altında başarısız olurken sadece bir örnek AC yükü altında başarısız olmuştur. PVC yalıtımlı kablolar, başarısız olan tüm test numuneleri ile özellikle etkilenmiştir. Poliolefin ile yalıtım için başarısızlık oranı da yüksekti, buna karşın TPE yalıtımlı kablolar testin üstesinden çok iyi gelmiştir. Bu test sonuçlarına dayanarak ÖLFLEX DC CHAIN 800, yüksek performans sağlamak için TPE yalıtımı ile donatılmıştır. Kusurların üçte biri yalıtım hatalarından kaynaklanmıştır. Yalıtım direnci 10 MΩ kritik değerin altına düşerse durum böyle olur. Kusurların üçte ikisine yalıtımın görünür ve fiziksel delikleri sebep olmuştur. Aksaklıklar, dar bükülme yarıçapı nedeniyle ilave mekanik gerilime maruz kalan kablolarla daha erken meydana gelmiştir. Yeni kablolar, DC ya da AC geriliminin kullanılmasına bakılmaksızın yaşlanma başlangıcından önce yaklaşık olarak aynı gerilimlere dayanmıştır. Kabloların DC yükleme ile geride kalmasına neden olan yaşlanma süreciydi. Yalıtımın duvar kalınlığı da aksaklıkların sıklığı ve zamanlamasında belirleyici bir rol oynamamıştır.
Uzman görüşü çürütüldü
Araştırma sonuçları, DC gerilimi tarafından üretilen elektrik alanının, yalıtım malzemelerinin yaşlanma davranışı üzerinde AC gerilim alanından farklı bir etkiye sahip olduğuna dair önemli bir göstergedir. Şimdiye kadar birçok uzman buna itiraz etmişti. Klasik bir AC kablosunda elektrik alanın kuvveti, doğrudan bakır iletken yüzeyinde en yüksektir ve yarıçapı ile dışa doğru azalır. Aynısı, yüksek sıcaklıklarda da geçerlidir çünkü dielektrik sabiti sıcaklıktan neredeyse bağımsızdır. Öte yandan, DC kabloların elektriksel alan gücü, yalıtım malzemesinin elektriksel iletkenliği ile belirlenir. Yalıtımın iletkenliği, sıcaklığın artmasıyla artarsa, elektrik alanı yarıçapı dışa doğru yalnızca biraz azalır ve yüksek sıcaklıklarda bile alanın tersine değişmesi meydana gelebilir. Elektrik alanın kuvveti, yalıtımın dış kısmında iletkenin iç kısmından daha yüksektir.
Sadece tekli iletkenler test edildi
Araştırmalar sırasında bireysel iletkenlerin ve kılıfların karşılıklı etkilerini hariç bırakmak amacıyla laboratuvar testleri, başlangıçta sudaki bireysel iletkenler üzerinde gerçekleştirilmiştir. Sadece yalıtım güçleri test edilmiştir. Bu, uygulamada çalışma koşullarına karşılık gelmez çünkü bir kabloda bir kılıf içinde demet hâline getirilmiş genellikle birkaç damar vardır. Ancak Prof. Berger’in ekibi, gelecekte tüm kablolarda ölçüm yapmayı hedeflemektedir. Görsel olaylar, kullanılan test yönteminin uygunluğu hakkında sorular da ortaya çıkarmaktadır. Bir su banyosunda yaşlanmayı ivmelenme yöntemi, DIN VDE 0276-605’in gerekliliklerine uygundur ve AC gerilim hatları ile kendini kanıtlamıştır. Aynı zamanda uzun yıllar ve on yıllar boyunca gerçek yaşlanma davranışının iyi göstergelerini sağlar. Bu durum, PVC kabloları için de geçerlidir. Bununla birlikte bunun, DC gerilimi ile çalışma için de geçerli olup olmadığı şüphelidir. Burada suyun öngörülemeyen farklı bir rolü var gibi gözükmektedir; zaman atlamasını bir kez daha önemli ölçüde hızlandırdığı barizdir.
Daha fazla araştırma gerekli
Burada güvenilir ifadelere ulaşmak için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır. Bir yandan Prof. Berger, bir su banyosu gerektirmeyen ancak daha sonra uzun sürmesi gereken yaşlanma testleri planlamaktadır. Öte yandan yukarıda belirtilen elektrik alanının tersine dönmesi gerçekleştiğinde plastiklerde kimyasal ve fiziksel olarak neler olduğunu anlamak istemektedir. Polimerin parçalanması veya suda şişmesinin yanı sıra katkı maddelerinin çözünmesi veya “su ağaçları” oluşumu olası nedenler olabilir.
Güvenilir veriler elde edilinceye kadar PVC yalıtımlı kabloları statik DC uygulamalarında kullanmamak için hiçbir neden yoktur. Bununla birlikte ön koşul, bu kabloların çok dar olan bükülme yarıçapları nedeniyle hareketsiz ve mekanik gerilme olmadan sıkıca döşenmesidir. Ayrıca ortam, her zaman kuru olmalıdır. Örneğin enerji zincirlerindeki hareketli uygulamalarda olduğu gibi bu koşullar yerine getirilmezse kullanıcılar, diğer yalıtım malzemelerine geçebilirler. Örneğin TPE, su banyosu testlerinde harika puan almıştır.