Kennisbank

Solid-state-transformator: de digitale opvolger van het stroomnet-blok

Bijgewerkt: 21 september 2026 · 6 min leestijd

Op elke straathoek staat er wel een: een grijze of groene kast, soms een bromtoon makend, die de hoogspanning uit het net omzet naar de 230 volt uit het stopcontact. Dat is een transformator, en het principe erachter is meer dan honderd jaar oud. Een solid-state-transformator (SST) doet in de kern hetzelfde — spanning omhoog of omlaag brengen — maar dan met elektronica in plaats van alleen koper en ijzer. Het is te vergelijken met het verschil tussen een ouderwetse mechanische versnellingsbak en een moderne, computergestuurde automaat: dezelfde functie, maar veel slimmer en flexibeler geregeld.

Waarom zou je zoiets basaals als een transformator willen "digitaliseren"? Omdat het klassieke ontwerp eigenlijk een dom, star apparaat is: het zet spanning om, maar het kan niet actief meebewegen met een net dat steeds grilliger wordt door zonnepanelen, windturbines, batterijen en elektrische auto's. Een solid-state-transformator kan dat wel. Hij weegt bovendien vaak minder en neemt minder ruimte in, wat hem aantrekkelijk maakt voor treinen, schepen en drukke stadswijken waar simpelweg geen plek is voor een zware, oliegekoelde kast.

Wat is het precies?

Een gewone transformator werkt met twee spoelen (opgerolde koperdraad) om een ijzeren kern. Wisselstroom in de ene spoel wekt een magnetisch veld op, dat in de andere spoel weer stroom opwekt — met een andere spanning, afhankelijk van het aantal windingen. Dit heet elektromagnetische inductie. Het werkt uitstekend, maar alleen bij de vaste netfrequentie van 50 hertz (in Europa), en dat dwingt tot een grote, zware ijzeren kern.

Een solid-state-transformator vervangt dit domme, magnetische proces door een reeks elektronische stappen. Eerst wordt de binnenkomende wisselstroom omgezet naar gelijkstroom (stroom die steeds dezelfde kant op stroomt, zoals uit een batterij). Dat gebeurt met halfgeleiderschakelaars: piepkleine elektronische schakelaartjes, vaak van materialen als siliciumcarbide (SiC) of galliumnitride (GaN), die duizenden keren per seconde aan en uit kunnen klikken.

Die gelijkstroom wordt vervolgens omgezet naar wisselstroom met een veel hogere frequentie dan 50 hertz — vaak duizenden hertz. Bij zo'n hoge frequentie kan de eigenlijke, magnetische transformatorkern die de spanning aanpast, veel kleiner en lichter zijn dan bij 50 hertz. Daarna wordt de stroom weer teruggezet naar bruikbare wisselstroom (of rechtstreeks als gelijkstroom geleverd, bijvoorbeeld voor zonnepanelen of laadpalen).

Het geheel wordt aangestuurd door een ingebouwde computer die voortdurend meet en bijstuurt: hoeveel vermogen er nodig is, in welke richting de stroom moet lopen, en of er iets misgaat. Veel ontwerpen zijn bovendien modulair opgebouwd: meerdere identieke elektronicablokjes worden in serie of parallel geschakeld, zodat je met dezelfde bouwstenen zowel een klein als een heel groot systeem kunt maken.

Wat wil men ermee bereiken?

Het belangrijkste doel is controle. Een klassieke transformator kan alleen spanning omzetten; hij heeft geen idee wat er verderop in het net gebeurt en kan daar ook niets aan doen. Een solid-state-transformator kan spanning, vermogen en stroomrichting actief regelen, binnen milliseconden. Dat is precies wat nodig is in een net waarin de stroom niet langer alleen van de centrale naar het huis loopt, maar ook omgekeerd, bijvoorbeeld wanneer zonnepanelen overdag stroom terugleveren.

Een tweede doel is gewicht en omvang. Omdat de magnetische kern bij hoge frequentie veel kleiner kan zijn, wegen solid-state-transformatoren voor hetzelfde vermogen aanzienlijk minder dan klassieke exemplaren. Dat is cruciaal in toepassingen waar elke kilo telt, zoals treinen en schepen, of waar simpelweg geen ruimte is, zoals in dichtbebouwde binnensteden.

Een derde doel is het rechtstreeks kunnen leveren van gelijkstroom. Zonnepanelen, batterijen, elektrische auto's en steeds meer datacentra werken van nature op gelijkstroom. Nu moet stroom vaak meerdere keren onnodig heen en weer worden omgezet tussen wissel- en gelijkstroom, wat elke keer een beetje energie kost. Een solid-state-transformator met een ingebouwde gelijkstroomaansluiting kan die omzettingen overbodig maken.

Tot slot biedt de techniek kansen voor betere stroomkwaliteit: het actief onderdrukken van spanningspieken en storingen (harmonischen), het compenseren van kortstondige spanningsdalingen, en het razendsnel afschakelen bij een kortsluiting elders in het net, nog voordat dit schade veroorzaakt.

Voorbeelden uit de praktijk

De meest concrete toepassing tot nu toe zit in de spoorwegen. ABB ontwikkelde de "Power Electronic Traction Transformer" (PETT), een solid-state-transformator die de klassieke, zware tractietransformator onder een trein moest vervangen. Rond 2012 werd een prototype getest op een locomotief van de Zwitserse spoorwegen (SBB), waarbij een gewichtsbesparing van tientallen procenten werd gemeld ten opzichte van een conventionele tractietransformator.

In de Verenigde Staten geldt het FREEDM Systems Center aan North Carolina State University al sinds het midden van de jaren 2000 als een van de pioniers op dit gebied. Met steun van de Amerikaanse National Science Foundation onderzocht dit centrum solid-state-transformatoren als bouwsteen voor wat onderzoekers een "energie-internet" noemden: een net waarin stroom net zo flexibel gerouteerd kan worden als data op internet.

Aan de Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) in Zürich doet de onderzoeksgroep Power Electronic Systems, onder leiding van hoogleraar Johann Kolar, al langer onderzoek naar zeer compacte, hoogfrequente solid-state- of "geïsoleerde" vermogenselektronische transformatoren, met aandacht voor het maximaliseren van rendement en vermogensdichtheid.

In China heeft staatsnetbeheerder State Grid Corporation of China de afgelopen jaren geëxperimenteerd met wat er lokaal vaak "energierouters" wordt genoemd: solid-state-transformatoren die in stedelijke proefwijken worden ingezet om zonne-energie, batterijopslag en elektrische voertuigen slimmer op elkaar aan te laten sluiten. De precieze omvang en resultaten van deze pilots zijn voor buitenstaanders lastig te verifiëren, omdat veel details alleen in Chinese vakpublicaties zijn gedocumenteerd.

Meer recent duikt de techniek ook op in onderzoek naar ultrasnelle laadstations voor elektrische auto's, waarbij een solid-state-transformator de middenspanningskabel rechtstreeks kan omzetten naar de hoge gelijkstroom die laadpalen nodig hebben, zonder tussenkomst van een aparte, omvangrijke gelijkrichterkast. Verschillende fabrikanten van vermogenselektronica, waaronder Delta Electronics en Hitachi Energy (de opvolger van ABB's netwerkonderdeel), presenteerden hiervoor de afgelopen jaren demonstratieopstellingen.

Hoe ver is de techniek?

Solid-state-transformatoren bestaan als onderzoeksconcept al sinds de jaren tachtig, maar pas de laatste tien tot vijftien jaar is de onderliggende halfgeleidertechniek volwassen genoeg geworden om ze praktisch haalbaar te maken. Vooral de opkomst van siliciumcarbide- en galliumnitride-halfgeleiders, die hogere spanningen en temperaturen aankunnen dan klassiek silicium, heeft een belangrijke drempel weggenomen.

In niche-toepassingen met een beperkt vermogen en een duidelijke gewichtseis, zoals treinaandrijving, is de techniek inmiddels voorbij het pure laboratoriumstadium en in beperkte mate operationeel getest. Voor grootschalige toepassing in het openbare elektriciteitsnet — bijvoorbeeld als vervanger van de gewone wijktransformator — bevindt de techniek zich grotendeels nog in de pilot- en demonstratiefase.

De belangrijkste obstakels zijn kosten en betrouwbaarheid. Een klassieke transformator heeft nauwelijks bewegende of kwetsbare onderdelen en kan probleemloos decennialang meegaan; een solid-state-transformator bevat honderden halfgeleiderschakelaars die elk kunnen uitvallen, en is gevoeliger voor blikseminslag en spanningspieken dan een blok koper en ijzer in een bad van isolerende olie. Netbeheerders, die gewend zijn aan apparatuur met een levensduur van veertig jaar en zeer hoge betrouwbaarheidseisen, zijn daarom terughoudend om de techniek op grote schaal uit te rollen voordat er meer praktijkervaring is opgebouwd. Ook zijn solid-state-transformatoren op dit moment aanzienlijk duurder per vermogenseenheid dan hun klassieke tegenhangers.

Wie werken eraan?

Op het gebied van vermogenselektronica voor het net en de spoorwegen zijn Hitachi Energy (voortgekomen uit ABB), Siemens en het Franse-Amerikaanse GE Vernova belangrijke industriële spelers met eigen onderzoeksprogramma's. In Azië doen het Japanse Mitsubishi Electric en Toshiba, en het Taiwanese Delta Electronics, actief onderzoek naar compacte vermogenselektronica die raakt aan solid-state-transformatoren, terwijl in China vooral State Grid Corporation of China en de spoorwegfabrikant CRRC grote proefprojecten financieren.

Op universitair niveau geldt het FREEDM Systems Center van North Carolina State University in de Verenigde Staten als een van de langst lopende onderzoeksprogramma's, naast het Center for Power Electronics Systems van Virginia Tech. In Europa doen onder meer de ETH Zürich in Zwitserland, de Aalborg University in Denemarken en het Duitse Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) gericht onderzoek naar deze techniek, vaak met steun van nationale onderzoeksfondsen of Europese Horizon-programma's. Onderzoek naar de onderliggende halfgeleidermaterialen, zoals siliciumcarbide, wordt daarnaast breed gefinancierd door zowel de Amerikaanse als de Europese en Aziatische chipindustrie, omdat diezelfde chips ook onmisbaar zijn voor elektrische auto's en hernieuwbare energie.

Verder lezen