Gelijkspanning als netspanning

Duurzame parkeergarage dankzij gelijkspanning

Verzekeraar a.s.r. heeft samen met DC Systems en verschillende partners een duurzame en slimme parkeergarage ontwikkeld met hulp van gelijkspanning. De parkeergarage van 5000 m² met twee verdiepingen en een dak van zonnepanelen werd ingericht met bi-directioneel laden die direct aan een lokaal gelijkspannngsnet zijn gekoppeld. Hiermee is er niet alleen voldoende laadcapaciteit voor medewerkers en bezoekers, maar bespaart het bedrijf ook substantieel op energie.

Had Edison ruim een eeuw geleden toch gelijk dat gelijkspanning het beste is voor het elektriciteitsnet? Ondertussen begint het er op te lijken dat hij misschien toch gelijk krijgt. Dankzij de hedendaagse vermogenselektronica is er met gelijkspanning net zo veel mogelijk als met wisselspanning.

Dat Nikola Tesla de strijd tussen AC en DC met recht won, is gezien de techniek van toen terecht geweest. Alleen met AC kon men spanningen transformeren en zo hoogspanningsnetten bouwen om de stroom door de draden (en dus het verlies) te beperken. Transformatoren waren immers de enige manier die toen bestond om de spanning te verhogen of te verlagen. Nu hebben we vermogenselektronica die dat ook kan met DC en is er ook voor gelijkspanning de mogelijkheid gekomen om spanningen te ’transformeren’ en zelfs hoogspanningsnetten te maken.

Bijna alles DC

Kijken we naar de apparaten die vandaag de dag op het lichtnet aangesloten worden, dan zien we dat deze bijna allemaal op DC werken. Alle elektronische apparatuur, maar ook verlichting en zelfs menige motor kunnen niets met AC en hebben een gelijkrichter aan boord om de wisselspanning om te zetten naar gelijkspanning.
Ook de bronnen die het elektriciteitsnet voeden beginnen zo langzamerhand ook allemaal gelijkspanning te leveren. Neem alleen al alle zonnepanelen. Hierin wordt heel veel DC-energie opgewekt.
Doordat het elektriciteitsnet AC is, zijn we dus heel vaak bezig om AC om te zetten naar DC en omgekeerd waarbij telkens verlies op treedt. Dit verlies kunnen we wegstrepen als we compleet overstappen op DC, een mogelijkheid die voorlopig nog op zich laat wachten. Daar staat tegenover dat we al wel lokaal DC kunnen gebruiken om zo de transformatieverliezen te beperken.

project a.s.r.

Met de groei aan elektrische auto’s en zonnepanelen op daken, is er behoefte om over te gaan op duurzame energie. Gelijkstroom binnen elektrische distributie is, zoals gezegd, een technologie die energie veilig, betrouwbaar, efficiënt en duurzaam kan maken. Dat is dan ook de reden dat Schneider Electric in 2021 het Nederlanse DC Systems overnam dat gespecialiseerd is in AC/DC microgrids en gelijkstroomoplossingen.
Om a.s.r. te helpen met de realisatie van de meest duurzame parkeergarage, werkte de verzekeraar samen met DC Systems. Ook stond dit project centraal bij een belangrijk energietransitie-onderzoek van de Hogeschool van Amsterdam. Tijdens het project werden inzichten verkregen over het laden en ontladen van elektrische voertuigen.
Het project voor a.s.r. omvat o.a. een slimme parkeergarage die een dak heeft van zonnepanelen en ingericht is op bi-directioneel laden. Dat betekent dat bij deze laadpalen auto’s niet alleen kunnen opladen, maar ook kunnen ontladen. In totaal is de gerenoveerde faciliteit uitgerust met 2000 zonnepanelen, wat bijdraagt aan een CO₂-neutraal kantoor van het bedrijf. Bovendien zijn er accu’s geplaatst waar de opgewekte stroom in kan worden opgeslagen om netcongestie te voorkomen. Bij dit alles hielp DC Systems bij het uitdenken van de installatie maar ook met het maken van een schaalbare oplossing voor energiemanagement.

Interesse uit binnen- en buitenland

De duurzame parkeergarage van a.s.r. gooit hoge ogen in binnen- en buitenland. Veel bedrijven en overheden zijn zoekende naar het goede oplossingen voor het gebruik van gelijkstroom. a.s.r. ontvangt daarom geregeld partijen die zoeken naar oplossingen voor het groeiende aantal elektrische auto’s. Deze aandacht is gericht op de bijzondere wijze waarop het laadplein tot stand is gekomen en het beheer via het energiemanagementsysteem.
De garage van a.s.r laat zien dat het gebruik van gelijkstroom vele voordelen heeft ten opzichte van wisselstroom. Zo is er minder materiaal gebruikt en is de energie-efficiëntie sterk verbeterd.

Lastiger dan je denkt

Het bouwen van een lokaal DC-net lijkt eenvoudig. Afbeelding 1 toont wat er in basis nodig is. Links zien we de ingang van de AC-netspanning. Deze wordt met behulp van een AC/DC-omzetter (midden) tot een gelijkspanning van het gewenste niveau omgezet. Bedenk dat dit niet een simpele diodegelijkrichter is. Het moet immers een nette, constante gelijkspanning zijn en als de unit ook nog eens bi-directioneel moet zijn en dus energie moet kunnen terugleveren aan het net dan moet dat een speciaal voor dit doel gemaakte unit zijn.
Rechts zien we van boven naar beneden de accu’s voor opslag van energie, daar onder de zonnepanelen en daar weer onder de gebruikers. Dit zijn alle apparaten en de verlichting in het gebouw. Deze hebben allemaal een eigen DC/DC-omzetter (niet getekend) omdat immers de voedingsspanningen niet allemaal hetzelfde zijn. De nieuwe USB-C-norm vergemakkelijkt hierbij het aansluiten van de gebruikers.
Ook de accu’s en de solar-installatie worden via DC/DC-omzetters op het DC-net aangesloten. Hierbij is deze omzetter voor de accu’s bi-directioneel omdat er immers ook geladen moet worden als er een energieoverschot is.

Op diverse plekken ziet u dat er veiligheden zijn ingebouwd. Helaas kunnen dit niet de standaard zekeringautomaten zijn die we bij AC gebruiken. DC vraagt speciale zekeringautomaten. Het afschakelen van een gelijkstroom is lastiger dan een wisselstroom. Alleen al het sneller optreden van vlambogen is een punt van aandacht.
Ook de aarding van het DC-net vraagt extra inspanning. Zeer belangrijk is het voorkomen van lek- en zwerfstromen via metalen delen van het gebouw. Doordat de stroomrichting hiervan niet wisselt, kunnen er galvanische processen optreden die zorgen voor degradatie van stalen balken, lasnaden of betonijzer. In de installatie bij a.s.r. is er dan ook niet gewerkt met één aarde waaraan alles gekoppeld is maar zeven verschillende aardpunten en zijn er meetinstrumenten geplaatst om de zwerfstromen te kunnen detecteren (afbeelding 2).

Uitdagingen

Doordat DC-netten nog niet veel toegepast worden, is er een gebrek aan normen en training. De Current OS Foundation heeft echter een reeks regels opgesteld voor veilige bedrijfsvoering in DC-microgrids. Deze regels, die o.a. spanningsniveaus, stabiliteit van DC-systemen en nieuwe veiligheidszones omvatten, verschillen van die voor traditionele AC-systemen.
Vanwege het ontbreken van normen is het systeem bij a.s.r. getest met opnieuw gedefinieerde veiligheidszones om de veiligheid voor individuen te vergroten en incidenten te verminderen. Deze zones zijn ingesteld om de hogere veiligheidsnormen van Current OS te garanderen.

Bescherming

Een belangrijk onderdeel in de installatie bij a.s.r. zijn de bi-directionele laders die de energie die via de zonnepanelen verkregen wordt, direct gebruikt voor het laden van de elektrische auto’s. Deze laders zijn direct op het DC-net aangesloten, evenals de DC/DC-omzetter van de zonnepanelen. Voor de bescherming tegen o.a. kortsluiting worden de door DC Systems ontwikkelde Current Routers toegepast. Deze bieden een nieuw type bescherming genaamd Solid State Protection (afbeelding 3). Ze dienen als vervanging voor conventionele mechanische onderbrekers, bieden snelle bescherming in geval van een storing en maken selectiviteit tussen apparaten mogelijk. Het hoofddoel van deze stroomrouters is echter het voorkomen van hoge kortsluitstromen en het bieden van aardlekbeveiliging.

AFE

De Active Front End is ook een innovatief product van DC Systems dat is toegepast. Deze zorgt voor een veilige verbinding tussen het AC- en DC-net. Het combineert elektrische stroom en net-interactieve mogelijkheden voor het balanceren van de belasting en voeding. Door communicatie aan het systeem toe te voegen, kan het gedrag van elk apparaat afzonderlijk worden gemonitord en geregeld via het Current-OS-systeem.

En nog meer

Over het bouwen van DC-netten en over de totale installatie bij a.s.r. valt nog veel meer te vertellen. DC Systems heeft op hun site een aantal documenten staan die u kunt downloaden. Hierin vindt u o.a. wat er allemaal in het a.s.r. project verwerkt is.