Gelijkspanning (DC) in de gebouwde omgeving

Al ruim honderd jaar vormt wisselspanning (AC) de basis van ons elektriciteitssysteem. Inmiddels is ons energiesysteem drastisch veranderd en vindt er een transitie plaats van centrale opwek naar decentrale opwek. Hierdoor krijgen we te maken met steeds meer gelijkspanningstechnologieën (DC) zoals bijvoorbeeld batterijen en zonnepanelen. Daarbij heeft DC een aantal voordelen boven AC. Daarom is TKI Urban Energy van mening dat DC-netten potentie hebben om een rol te spelen in de energietransitie. Echter zijn er nog wel een aantal knelpunten om DC-netten succesvol in te voeren.

Hoewel DC-technologie in de gebouwde omgeving nog vrij nieuw is er op het niveau van hoogspanningsverbindingen voor transport van elektriciteit over grote afstanden is er al langer sprake van commerciële toepassing van DC. Voorbeeld is de NorNed kabel (2008), de onderzeese DC verbinding tussen Noorwegen en Nederland over 580 km. Maar voordat DC met enige schaalgrootte een plek kan krijgen in de gebouwde omgeving zal de technologie eerst nog verder ontwikkeld moeten worden.

Er zijn een aantal trends die de ontwikkeling van DC-netten in de gebouwde omgeving aanjagen. De meest belangrijke trend is de elektrificatie van het energiesysteem. De toename in elektrische voertuigen, warmtepompen, en elektrisch koken zorgen voor een toename in de piekbelasting, wat het huidige netwerk overbelast. Ook decentrale opwek kan zorgen voor overbelasting van het net. Dit kan worden beperkt door het net slim aan te sturen. Daarin heeft gelijkspanning het voordeel dat informatie benodigd voor het slim aansturen van apparaten over de elektriciteitskabel zelf gestuurd kan worden en er geen extra fysieke verbinding nodig is zoals bij AC. Ook is het lokaal balanceren van het spanningsnet makkelijker, door gebruik te maken van ingestelde bandbreedtes om het spanningsniveau te limiteren. Daarbij werken accu’s van elektrische auto’s, zonnepanelen en ledverlichting allemaal al op gelijkspanning, waardoor omzetting niet nodig is. Andere trends die bijdragen zijn de toename van digitalisering en draagbare apparaten die ook op gelijkspanning worden geladen en verbeterde vermogenselektronica. Dat laatste is belangrijk omdat DC-netten alleen met vermogenselektronica kan worden beveiligd terwijl AC-netten ook mechanisch kunnen worden beveiligd.

Buiten de bijdrage die DC-netten in de energietransitie kan leveren, hebben DC-netten nog een aantal technische voordelen zoals besparing van energie, ruimte en materialen, verlenging van levensduur van componenten en minder storingen van de elektrotechnische omvormers. Echter zijn er ook nadelen aan gelijkspanningsnetten, waarbij de meest prominente de achterstand is die het op wisselspanningsnetten heeft. Zowel op het gebied van de doorontwikkeling van componenten als aanwezigheid van kennis en kunde bij installateurs loopt DC achter. Ook wet- en regelgeving en normalisatie en standaardisatie omtrent gelijkspanning is nog lang niet op het niveau als dat van wisselspanningstechnieken. Verder is het gezien het hele systeem op AC is ingericht erg moeilijk om om te schakelen.

De uitgangspositie en de potentie van gelijkspanning verschilt per marktsegment. TKI Urban Energy maakt daarbij doorgaans een onderscheid in de volgende marktsgementen: woningen en utiliteitsgebouwen, glastuinbouw, laadinfrastructuur, openbare verlichtingsnetten en lokale DC-netten.

Op het gebied van het gebied van gelijkspanning werkt TKI Urban Energy nauw samen met Stichting Gelijkspanning Nederland (SGSN). SGSN is van mening dat gelijkspanning een zinvolle bijdrage aan de energietransitie kan leveren. SGSN doet dat door kennis van DC te verzamelen en verspreiden. Dit doet zij door projecten te initiëren en eraan deel te nemen. De SGSN spant zich actief in om lessons learned uit diverse projecten voor iedereen inzichtelijk te maken. Zoals Pepijn van Willenburg, voorzitter van de SGSN zegt: “De gelijkspanningswereld is sterk in ontwikkeling en zal er volgend jaar weer anders uit zien dan nu. Voor ons ligt er een uitdaging om bijeenkomsten te blijven organiseren met technische inhoudelijke diepgang met onze volgers van het eerste uur en tegelijkertijd nieuwe mensen aan te trekken. De energietransitie zullen we met z’n allen moeten gaan doen en daarbij het belang van DC niet vergeten.“

Roadmap Gelijkspanning

Op verzoek van TKI Urban Energy heeft Berenschot in 2018 een roadmap opgesteld voor DC in de gebouwde omgeving. De doelstelling van deze roadmap is om inzicht te verschaffen in het huidige en toekomstige potentieel voor DC in Nederland en daarnaast in welke innovaties daartoe moet worden ingezet. Ook is inzicht gewenst in de internationale ontwikkelingen waar Nederland een bijdrage aan kan leveren. In 2020 heeft Berenschot een verdere verdieping en actualisatie aangebracht op deze roadmap. Dit heeft geresulteerd in een vijftal whitepapers, die voor elke van de bovengenoemde marktsegmenten uiteenzet hoe het er op dit moment met gelijkspanning ervoor staat. Daarnaast is er een rapportage opgeleverd die ingaat op de toepassing en ontwikkeling van gelijkspanning algemeen.

Woningen & Utiliteit

DC-toepassingen in woning en utiliteit (bedrijfsgebouwen) kunnen ervoor zorgen dat er mogelijk minder energieverliezen optreden, materiaal uitgespaard kan worden en dat apparatuur makkelijker gestuurd kan worden, actief dan wel passief. Deze sturing heeft als potentieel voordeel een betere afstemming met opwek achter de meter en het voorkomen van congestie op het net. De adoptie van DC in woningen en utiliteit heeft daarbij wel een aantal knelpunten namelijk (1) normalisatie, (2) veiligheid en (3) stimulans voor consumenten (gebouwgebruikers en -eigenaren). Zoals geschetst in het onderstaande figuur is de toepassing van gelijkspanning in woningen en utiliteit nog niet ‘market ready’ en lijkt dit lastiger te zijn in woningen dan in utiliteit door de hoge complexiteit in woningen. De verwachting is de gelijkspanning op het gebied van woningen en utiliteit pas tussen 2025 en 2035 market-ready zal zijn.

Figuur 1: Tijdlijn utiliteit uit Roadmap Gelijkspanning

Figuur 2: Tijdlijn woningen uit Roadmap Gelijkspanning

Meer informatie vindt u in de whitepaper ‘Gelijkspanning Woningen & Utiliteit’.

Glastuinbouw

DC-toepassingen in de glastuinbouw kunnen ervoor zorgen dat materiaal langer meegaat en dat apparatuur kan reageren op veranderende spanning, waardoor beschikbare capaciteit beter geregeld kan worden en er minder energieverliezen optreden. De adoptie van DC in de glastuinbouw heeft daarbij wel een aantal knelpunten namelijk (1) hoge financiële risico’s, (2) achterlopende adoptie van LED, (3) ontbreken van een proof-of-concept en (4) hoge investeringskosten en complexiteit van een lokaal net. Deze knelpunten zorgen er niet alleen voor dat een DC-net nog niet geïmplementeerd is, maar ook dat er nog maar weinig geëxperimenteerd wordt in deze sector. Hoewel in de roadmap van 2018 verwacht werd dat gelijkspanning in de glastuinbouw market-ready zou zijn in 2020 is deze verwachting in de update opgeschoven naar 2025 door de weinige ontwikkelingen op dit gebied (zie figuur).

Figuur 3: Aangepaste tijdlijn glastuinbouw uit Roadmap Gelijkspanning

Meer informatie vindt u in de whitepaper 'Gelijkspanning Glastuinbouw'.

Laadinfrastructuur

Gelijkspanningstoepassingen in de laadinfrastructuur kunnen ervoor zorgen dat er minder energieverliezen optreden, materiaal uitgespaard wordt en langer mee gaat, en dat de laadinfrastructuur kan reageren op de belasting op het net. Bij gelijkspanningstoepassing in laadinfrastructuur zijn er wel een aantal knelpunten, namelijk: (1) de huidige software van elektrische auto’s, (2) beschikbaarheid en kosten van onderdelen en (3) het genereren van een ‘level playing field’ in tenders. Het snelladen gebeurt op sommige plekken al op gelijkspanning, daarmee valt te beargumenteren dat de techniek market ready is. Hiermee ligt de status van de technologie voor op de geschetste tijdlijn in figuur 4. Er zijn echter verschillende manieren om gelijkspanning in laadinfrastructuur toe te passen (lokaal DC-microgrid tussen zon-Pv en elektrische auto en een DC-laadplein) en beide zijn nog niet even ver in ontwikkeling.

Figuur 4: Tijdlijn laadinfrastructuur uit Roadmap Gelijkspanning

Meer informatie vindt u in de whitepaper 'Gelijkspanning Laadinfrastructuur'.

Openbare verlichting

De toepassing van gelijkspanning in de openbare verlichting (OVL) zorgt ervoor dat er meer vermogen binnen bestaande netten getransporteerd kan worden waardoor parallelle benutting van OVL-netten mogelijk wordt. Daarnaast gaat de levensduur van de ledlampen in het net omhoog en is powerlinecommunicatie (PLC) mogelijk waardoor adaptieve verlichting wordt gefaciliteerd. De adoptie van DC in OVL heeft daarbij wel een aantal knelpunten voor de adoptie namelijk (1) kosten van DC-componenten, (2) regelgeving rondom parallelle benutting en (3) vertrouwen en bekendheid. De marktadoptie lijkt de verwachte trend te volgen, maar monitoring hierop is niet direct aanwezig. Het type projecten is nog relatief kleinschalig en gericht op demonstratie. Dit houdt in dat de technologie ‘market ready’ is, maar nog geen marktaandeel heeft van > 10 % zoals weergeven in de tijdlijn.

Figuur 5: Verwachte tijdlijn van de marktadoptie van OVL uit de Roadmap Gelijkspanning

Meer informatie vindt u in de whitepaper 'Gelijkspanning Openbare Verlichting'

Lokale DC-netten

DC-toepassingen in lokale DC-netten kunnen er in potentie voor zorgen dat er minder energieverliezen optreden en bestaande en nieuwe netten beter worden benut, waardoor materiaal uitgespaard wordt. De adoptie van DC in lokale netten heeft daarbij wel een aantal knelpunten namelijk het ontbreken van (1) MKBA, (2) ketenintegratie, (3) experimenteerruimte en (4) erkende meetapparatuur. De afgelopen jaren is er weinig gebeurt op het gebied van lokale DC-netten. De marktadoptie van lokale DC-netten loopt volgens het geschetste beeld in de Roadmap. Er wordt voorlopig niet verwacht dat dit marktsegment ‘market ready’ zal zijn.

Figuur 6: Tijdlijn lokale DC-netten uit Roadmap Gelijkspanning

Meer informatie vindt u in de whitepaper 'Gelijkspanning Lokale DC-netten'.

Innovatie projecten

De volgende projecten hebben plaatsgevonden op de verschillende toepassingsgebieden van gelijkspanning:

Woningen & Utiliteit

Projectnaam

Project

Koppeling met andere technieke

Organisaties

Subsidie

Type

Jaartal (start)

DC domestic appliances

Bestaande apparatuur ombouwen naar DC voeding

nvt

ABB / ATAG / DC opportunities / Direct Current / HHS / Simulation reseach / SGSN

Innovaties aardgasloze wijken

Proof of concept

2018

DC flexhouse

Vijf werkpakketen voor de vervanging van energie infrastructuur in woningen

Wijkniveau (DC-netten)

ABB / Direct Current / IPM / HHS / IBC-Solar / Stichting Hogeschool Zuyd

IDEEG2

Proof of concept

2015

USB-(D)C

Ontwikkeling en realisatie van elektrische aansluitingen voor gelijkspanningsnetten voor elektronica, verlichting en kleinverbruikers

 

Direct Current / ABB / BAM / HHS

IDEEG2

Ontwikkeling & marktintroductie

2015

Smart DC lofts

Hybride DC/AC net in innovatieve huizen in Eindhoven (Strijp-S)

PV / opslag / wijk

Volkerwessels Icity / HOMIJ / ABB / Direct Current / Van Mierlo / OpenRemote

DEI

Demonstratie

2016

ZoCool

Hybride DC/AC net voor koelhuizen in de fruitsector

PV / Koelsysteem / regelsysteem

DNV GL / AFI / Direct Current / Fruitpact / I-Thermostat / KEMA / Solar Comfort / Van Kempen Koudetechniek

SDE+ zon & gebouwde omgeving

Demonstratie

2014

Pulse gebouw

Energie neutraal onderwijsgebouw op de TU Delft

PV / USB-C

DC Systems / TU Delft

-

Demonstratie

2018

Project Stroomversnelling

Woningen in Soesterberg voor nul-op-de-meter concept met DC-module

Warmtepomp / ventilatie-unit / PV

BAM / Volkerwessels / Ballast Nedam / Dura Vermeer / Direct Current 

STEP subsidie en FEH lening (voor woningcorporatie en verhuurders)

Demonstratie / prototype

2014

Factory Zero

Dak geïntegreerde energiemodule voor ventileren, verwarmen en koelen op DC

PV / Platte boiler

Factory Zero

MMIP combinatie

Prototype

2020

Smart TinyLab

Onderzoek naar 350VDC grid in woning in vergelijking met AC grid in woning

PV / warmtepomp / opslag / keuken / verlichting

Saxion / Eaton / Bouwschool Twente / BINX / BRControls / Dumont Advies

-

Proof of Concept

2020

Project CASA

Onderzoeksproject van de TU/e voor innovatieve huizenbouw waarin een hybride AC/DC grid ook een onderdeel is

PV-T / verlichting / warmtepomp / keuken / (seizoens)opslag

TU/e / Eaton / SolarTech / DUCO / NRGTEQ / HoCoSto / Geerts

-

Proof of Concept

2020

Circl

Kantoorpand op de Zuidas op DC

PV / verlichting / ventilatie / batterijen / USB-C

ABN Amro/BAM

 

Demonstratie

2017

Glastuinbouw

Projectnaam

Project

Koppeling met andere technieken

Organisatie

Subsidie

Type

Jaartal (start)

DC=DeCent

Glastuingebied PrimAviera waarbij met wind en zon-PV de voordelen van een gelijkstroomnet worden onderzocht dat gekoppeld is aan het glastuingebied en kan fungeren als balans voor het net.

Wind, zon-PV, WKK

Direct Current / InnoSys / Joulz / Siemens / Stallingsbedrijf Glastuinbouw Nederland / SGNL

IPIN subsidiemiddelen 2011

Proeftuin en demonstratie

2011-2015

DOE DC

Het ontwikkelen en in gebruik nemen van een grootschalige demonstratieopstelling waaraan een glastuinbedrijf en zon-PV veld gekoppeld zijn.

Zon-PV veld

Direct Current / Gavita / SGN / Siemens / Solar Green Point / SGNL / Vreeken Sierteelt

DEI

Demonstratie

2015

Laadinfrastructuur

Projectnaam

Project

Koppeling met andere technieken

Organisatie

Subsidie

Type

Jaartal (start)

DC-Laadplein pilot

Technisch ontwerp en het ontwikkelen van nieuwe verdienmodellen voor DC laadpleinen

Test met batterijen, zon-PV en koppeling met tramnetwerk van GVB

Hogeschool van Amsterdam / Allego / Ecotap / Time Shift energy storage

Flexibele energie infrastructuur

Pilot

2018

Slim laadplein Culemborg

Laadplein in combinatie met zonnepanelen waarbij afhankelijk van de vraag en aanbod slim geladen en terug geleverd kan worden

Zon-PV

 

-

Demonstratie

2020

Toekomstbestendige Energienetten door Power Quality verbetering Elektrisch Vervoer

Effect van het gebruik van grote getallen elektrische auto’s op de power quality wordt onderzocht.

 

ElaadNL

Flexibele Energie Infrastructuur.

Haalbaarheidsstudie

2019

V2G Wallbox

Linkt de zonnepanelen met een 10 kW (DC) bi-directionele lader. In een gelijkspannings grid

Zon-PV/batterijen

Venema

?

Al beschikbaar

2020

Openbare verlichting

Projectnaam

Project

Nieuw DC /ombouw AC/DC

Koppeling met andere technieken

Organisatie

Subsidie

Type

Jaar (start project)

DC OVL XXL (1)

Tracé aan de Rijndijk

Ombouw

 

CityTec / SGNL

DEI

Demonstratie

2017

DC OVL XXL (2)

Nieuwbouwwijk Rietlanden

Nieuwbouw

 

CityTec / SGNL

DEI

Demonstratie

2017

DC OVL XXL (3)

Vermaasd net Driemanspolder

Ombouw

Riool / EV / PV / straatmeubilair

CityTec / SGNL

DEI

Demonstratie

2017

Meshed DC Grid

The Green Village

 

 

CityTec /TUd

TSE Urban Energy

Proof of Concept

2018

Bedrijventerrein de Liede

Bedrijventerrein de Liede

Ombouw

LED

CityTec

 

Demonstratie

2014

Ecolonia

Ecolonia

Ombouw, ringvorm

LED

CityTec

 

Demonstratie / toepassing

2015

Centrumplan Musselkanaal

Centrumplan Musselkanaal

 

Duurzame opwek

CityTec

 

Demonstratie

2014

Project Sloeweg

N62

Ombouw

 

CityTec

 

Demonstratie

2014

Vlietwijk

Vlietwijk

Ombouw

 

CityTec

 

 

 

Centrum Delfzijl

Centrum Delfzijl

 

 

CityTec / Henk Ensing

 

Demonstratie

2016

Port of Amsterdam 

Fietspad havengebied

 

Duurzame opwek & opslag, app voor fietsers

CityTec / Luminext

 

Demonstratie

2016

KIEM Energieproject

Combikabel

Combinatie van AC en DC

 

Haagse Hogeschool

 

Onderzoek & Praktijksimulatie

2018

Energy Wall

N470 (17km)

 

Duurzame opwek & EV

Dynniq / Provincie Zuid Holland

 

Demonstratie / toepassing

2017

Bedrijventerrein Nieuw Reijerwaard

Bedrijventerrein Nieuw Reijerwaard

Nieuwbouw

Toekomst: opslagsysteem en duurzame opwek

Engie / CityTec

 

Demonstratie / toepassing

2019

Lokale DC-netten

Projectnaam

Project

Koppeling met andere technieken

Organisatie

Subsidie

Type

Jaartal (start)

DC Demopark Eaton

Demogrid om toepassing van DC op 700V te testen en hierbij meerdere partijen te betrekken

Zon-PV / opslag / elektrisch laden / verlichting

Eaton

 

Demonstratie

 

Bedrijvenpark Lelystad

Experimenteel publiek gelijkspanningsnet in Lelystad met ontheffing van ACM

Verlichting / bedrijven

Liander

-

Experiment

2018

Een overzicht van alle projecten binnen het kader van TKI Urban Energy kan gevonden worden via de projectenapplicatie van de Topsector Energie.