Wanneer krijgt energietechniek eindelijk wat respect?

Elektrotechnische ingenieurs krijgen gewoonlijk wel respect van het publiek, maar het lijkt mij dat sommige "types" EI's dat meer krijgen dan andere. Ontwerpers van systemen met een laag verbruik worden door alle reviewers geprezen, "Je gelooft gewoon niet wat ze voor elkaar hebben gekregen, het loopt wekenlang op één klein batterijtje!" Hetzelfde geldt voor ingenieurs die het grootste gedeelte van hun werk achter een toetsenbord uitvoeren, "Kijk haar eens, ze is codeur dus ze zit haar hele leven gebakken!"

Hoewel ik de voorkeur geef aan hardware-ingenieurs (schakelingen), erken ik dat er voor een project gewoonlijk een brede set aan technische vaardigheden nodig is. Dus, OK, ik geef die micropower- en toetsenbord-ingenieurs de erkenning die hun toekomt.

Maar toch lijkt er een tot nu toe grotendeels onopgemerkte klasse EI's te bestaan die weinig aandacht of erkenning krijgen voor de uitdagingen waar zij mee te maken hebben: de ingenieurs die in de hogere vermogensregimes werken van meer dan diverse honderden volts en ampères en tientallen kilowatts. Sommige mensen beweren dat het komt omdat die toepassingen verder van het publiek af staan, maar dat is helemaal niet waar. Deze toepassingen met een hoger vermogen zijn helemaal niet alleen maar relatief ver verwijderd van de consument, zoals industriële omgevingen of bovenleidingen van 25 kilovolt (kV) voor elektrische treinen.

Denk eens aan de elektrische auto (electric vehicle - EV) waar veel consumenten direct of in ieder geval indirect contact mee hebben gehad. De energiecapaciteit van EV-accu's loopt van ongeveer 25 kilowattuur (kWhrs) tot meer dan 70 kWhrs en ze kunnen 300 tot 400 volt leveren bij ongeveer 1000 ampère (A) (die tractiemotoren kunnen wel 300 Paardenkracht (PK) of meer leveren). Al die cijfers (energiecapaciteit, spanning, stroom) betekenen dat EV power pack, conversie, beheer en distributie behoorlijk serieuze aangelegenheden zijn wat het ontwerpen, testen en onderhoud betreft.

Het verschil tussen de beide ontwerpomgevingen is niet alleen een kwestie van ruwe cijfers of een numerieke schaalverdeling. Er is een totaal verschillende manier van denken en een andere benadering voor nodig om wat dan ook te doen in de high-power wereld. Bij ontwerpen met een laag verbruik is het geen probleem om een tijdelijke hack uit te proberen, zoals een draad verplaatsen en vastsolderen of een geïmproviseerde test te draaien om een idee te checken. Maar als je met die hogere vermogensniveaus te maken hebt, moet iedere actie worden gepland, gesimuleerd, geëvalueerd, beoordeeld en nogmaals gecontroleerd voordat er ook maar iets wordt gedaan. Er moet daar een aanzienlijke hoeveelheid dicht opgeslagen energie worden beheerd.

Ook bestaat het probleem van het testen. Voor ieder aspect van het bepalen wat het systeem doet en wat de invloed is van eventuele veranderingen zijn een zorgvuldig geconstrueerd testplan en -opstelling nodig. Je kunt niet even snel de geleiders van een digitale voltmeter (DVM) op de punten van belang vastklemmen. Zelfs voor een routinevereiste zoals het meten van stroom via een inline shunt is in veel gevallen een zorgvuldige overweging nodig van de componenten, het interfacecircuit, galvanische isolatie, en zelfs van de implementatie van de fysieke aansluitingen.

Stel je dit scenario voor: je wilt een shuntweerstand gaan gebruiken om de stroom te meten in een hoge-stroomgeleider. Hoewel dat een welbekende techniek is, gaat het om honderden ampères in een EV, zodat je de waarde van de shuntweerstand zo laag mogelijk moet houden om zowel IR-geïnduceerd spanningsverlies als I²R thermische dissipatie van de detectieweerstand te beperken.

Gelukkig zijn er standaardshunts verkrijgbaar met extreem lage weerstandswaarden. De Vishay Dale WSBS8518-family heeft bijvoorbeeld standaardwaarden van 100, 500 en 1000 µΩ (dat is maar 0,1, 0,5 en 1,0 mΩ) (Afbeelding 1). De shunt, een bedrieglijk eenvoudig uitziend metalen "bandje" van ongeveer 85 mm lang x 18 mm breed, is gemaakt van een massief metalen nikkel-chroomlegering met een temperatuurcoëfficiënt van de weerstand (temperature coefficient of resistance - TCR) die slechts ±10 ppm/°C laag is.

Afbeelding 1: deze shuntweerstand in het microohmbereik (µΩ) ziet er misschien eenvoudig uit vergeleken met andere elektronische componenten, maar het is een zorgvuldig ontworpen en vervaardigd stukje massief metalen nikkel-chroomlegering met een extreem lage temperatuurcoëfficiënt en Kelvin-contacten. (Bron afbeelding: Vishay/Dale)

Maar hoe sluit je deze weerstand fysiek aan op de belaste lijnen? Zelfs een contactweerstand van maar een paar milliohm (mΩ) veroorzaakt tenslotte afvoer van vermogen en een daling van de spanning; daarom is ook de montage van de shuntaansluitingen één van de ontwerpproblemen. Bovendien moet je ook de spanningsdetectiegeleiders nog aansluiten; gelukkig heeft deze specifieke shunt integrale Kelvin-contacten om dat iets eenvoudiger te maken, maar veel shunts hebben dat niet.

Het zijn niet alle "energie-ingenieurs" die te weinig respect krijgen; volgens mij hebben vooral de ingenieurs die met elektrische energie werken met dat probleem te maken. Met alle interesse in het 50^e jaar na de maanlanding van de Apollo was het absoluut fantastisch om de lanceringsstuwkracht te zien die werd ontwikkeld door de vijf F-1 raketmotoren die de eerste fase van de draagraket Saturn aandreven (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Er bestaat minder zichtbaar vermogen en zeer goed zichtbaar vermogen; de draagraket Saturn V met zijn vijf F-1 motoren valt duidelijk in de laatste categorie. (Bron afbeelding: NASA)

De cijfers vertellen alles en zijn toch moeilijk echt te bevatten: de eerste fase van de Saturn V had 203.400 gallons (770.000 liter) kerosine en 318.000 gallons (1,2 miljoen liter) vloeibare zuurstof bij zich. Iedere F-1 brandstofpomp werd aangedreven door een turbine met 55.000 PK om ongeveer 15.000 US gallons (iets minder dan 60.000 liter) kerosine per minuut te leveren, terwijl de oxidatiepomp 25.000 US gallons (94.000 liter) vloeibare zuurstof per minuut leverde; bovendien moest iedere turbopomp ook ingevoerd gas van 1.500 °F (820 °C) tot vloeibare zuurstof van -300 °F (-18 °C) kunnen weerstaan. Bij de lancering produceerden de vijf motoren 7,5 miljoen pond stuwkracht.

Denk alleen maar eens aan de bevestiging die nodig is om die F-1 motoren op hun plaats te houden in de testopstelling, of aan de bevestigingsklemmen die de Saturn op zijn plaats hielden na de ontsteking terwijl de raketmotoren op volle kracht kwamen. Ze moesten niet alleen de miljoenen ponden stuwkracht tegenhouden, maar moesten ook soepel en consistent loslaten ondanks de uitlaatomgeving (en hoe test je dat?).

Ik denk dat dankzij het zeer goed zichtbare vermogen van een raket, of de lancering nu succesvol is of niet, raketingenieurs het respect krijgen dat ze verdienen. Omdat elektrische energie echter minder "zichtbaar" is, krijgen elektrotechnische ingenieurs dat respect niet. Die lange staart van raketuitlaatgassen maakt het allemaal zo echt, terwijl elektronen in een accu stil zijn bij normale werking en daarom "niets belangrijks" lijken.

Zullen EI's die met deze hogere vermogensniveaus te maken hebben in de toekomst meer respect krijgen? Dat weet ik natuurlijk niet. Maar het zou wel goed zijn, omdat toepassingen voor de massamarkt, zoals EV's, zonne-energie en een slimmer elektriciteitsnet die ervaring met kilowatts en megawatts nodig zullen hebben.

Referenties:

1 – Roger E. Bilstein, "Stages to Saturn: A Technological History of the Apollo/Saturn Launch Vehicles" (gratis downloadbaar bestand van 168 MB hier beschikbaar; gratis download per hoofdstuk hier)

2 – Charles Murray & Catherine Bly Cox, "Apollo: The Race to the Moon"

3 – Wikipedia, "Rocketdyne F-1"