Een huishouden op gelijkstroom?

Zonnepanelen produceren gelijkstroom elektriciteit ("Direct Current" of DC) die in een typische zonne-installatie wordt omgezet naar wisselstroom elektriciteit ("Alternating Current" of AC). In veel elektrische apparaten wordt die wisselstroom vervolgens weer omgezet naar gelijkstroom. Bij deze dubbele omzetting gaat tot 30% van de elektriciteit verloren.

De keuze voor een gelijkstroom elektriciteitsnetwerk in een gebouw kan dit verlies elimineren, wat resulteert in een aanzienlijke besparing op de kapitaalkosten voor een fotovoltaïsche zonne-installatie. Helaas geldt dat voordeel in het geval van residentiële gebouwen alleen voor systemen met energieopslag, terwijl de meeste zonne-installaties nu aan het net gekoppeld zijn.

Illustratie: Thomas Edison was meer dan een eeuw geleden voorstander van gelijkstroom.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Bij de opkomst van elektriciteit aan het einde van de negentiende eeuw ontstond een felle concurrentiestrijd tussen Thomas Edison en George Westinghouse. De eerste promootte het gebruik van gelijkstroom (DC), de tweede het gebruik van wisselstroom (AC). Westinghouse won de strijd, voornamelijk omdat wisselstroom efficiënter over lange afstanden kon worden getransporteerd.

Elektrisch vermogen (uitgedrukt in watt) is gelijk aan elektrische stroom (uitgedrukt in ampère) vermenigvuldigd met spanning (uitgedrukt in volt). Een bepaald vermogen kan worden geproduceerd door een lage spanning met een hoge stroom, of door een lage stroom met een hoge spanning.

Het energieverlies bij transport neemt echter toe met het kwadraat van de elektrische stroom. Dat betekent dus dat een hoge spanning de sleutel vormt tot een efficiënt transport van elektriciteit over langere afstanden.

Dankzij de uitvinding van de wisselstroom transformator op het einde van de negentiende eeuw kon de spanning worden opgevoerd voor efficiënt transport van elektriciteit. Vervolgens werd de elektriciteit door een andere transformator opnieuw naar een lagere spanning gebracht voor lokale distributie en gebruik in gebouwen.

Met gelijkstroom lukte dat niet. Bijgevolg impliceerde het systeem van Edison dat er in elke wijk een energiecentrale werd geplaatst. Dat was niet praktisch, aangezien energie werd opgewekt door steenkoolcentrales (die luchtvervuiling produceren) of waterkrachtcentrales (die meestal ver uit de stad liggen).

Waarom gelijkstroom weer interessant is

Meer dan honderd jaar later vormt wisselstroom nog steeds de basis van ons elektriciteitssysteem. Maar ondertussen is er wel het een en ander veranderd. Om te beginnen beschikken we vandaag de dag over decentrale energiebronnen die geen lokale luchtvervuiling produceren – fotovoltaïsche zonnepanelen.

Omdat de elektriciteit opgewekt door een zonnepaneel ter plaatse kan worden gebruikt, is er in principe geen transport van elektriciteit meer nodig. Bovendien produceren zonnepanelen "van nature uit" gelijkstroom, met een spanning van 12, 24 of 48 volt.

Ten tweede werken steeds meer apparaten intern op gelijkstroom. Dat geldt in de eerste plaats voor alle elektronica, zoals computers, televisies of LED's. Maar ook steeds meer apparaten met een motor maken gebruik van gelijkstroom.

Tot slot kan de spanning van gelijkstroom dankzij de vooruitgang in vermogenselektronica nu net als wisselstroom eenvoudig worden opgevoerd of verminderd.

Foto: Steven Lek.

Het gebruik van wisselstroom is dus niet meer zo vanzelfsprekend als honderd jaar geleden, zeker niet als er ter plekke elektriciteit wordt opgewekt door zonnepanelen. Haalt Thomas Edison zijn slag alsnog thuis?

Voordelen van gelijkstroom

In de meeste zonne-installaties wordt de gelijkstroom van de zonnepanelen door een omvormer omgezet naar wisselstroom, die vervolgens opnieuw wordt omgezet naar gelijkstroom door de AC/DC-adapter van de verschillende elektrische apparaten. Bij deze dubbele omzetting gaat tot 30% van de energie verloren. [1] Dat energieverlies kan worden geëlimineerd als de elektriciteit in het gebouw niet via wisselstroom maar via gelijkstroom wordt verdeeld.

Aangezien een zonne-installatie geen brandstof verbruikt, vertaalt deze hogere efficiëntie zich in lagere investeringskosten: ten eerste zijn er minder zonnepanelen nodig om evenveel elektriciteit te produceren, en ten tweede is er geen omvormer nodig –- een relatief duur apparaat dat tenminste één keer moet worden vervangen tijdens de levensduur van de zonne-installatie.

Een minstens even belangrijk gevolg van de hogere efficiëntie is dat de productie van de zonne-installatie minder energie kost, wat belangrijk is om van fotovoltaïsche zonne-energie een duurzamere energiebron te maken, zeker in minder zonnige landen. Er moeten minder zonnepanelen worden geproduceerd (en geïnstalleerd), en er is geen omvormer nodig.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Gelijkstroom vermindert de kapitaalkosten en de energie die nodig is om de zonne-installatie te produceren en te installeren

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Een bijkomend voordeel van elektriciteitsdistributie via gelijkstroom is dat elektrische toestellen geen adapter meer nodig hebben. Dat maakt apparaten eenvoudiger, goedkoper, compacter en betrouwbaarder. De elektronica voor de AC/DC-omzetting (die zich ofwel in het apparaat of erbuiten bevindt) is vaak de reden waarom een toestel kapot gaat. [2]

Bovendien neemt die elektronica heel wat plaats in. Bijvoorbeeld in een LED-lamp is ongeveer 40% van de elektronica op de printplaat gericht op de omzetting van wisselstroom naar gelijkstroom. [3]

Illustratie: de voeding voor een 35W LED lamp. [3] Alle onderdelen die nodig zijn voor de AC/DC omzetting zijn met een kader aangegeven.

Het gebruik van AC/DC-adapters heeft nog meer nadelen. Zo heeft elk apparaat een specifieke adapter, een commerciële strategie die de consument op kosten jaagt en voor heel wat extra elektronisch afval zorgt. Bovendien verbruikt een adapter ook energie als het apparaat niet werkt of zich in een slaaptoestand bevindt – het zogenaamde “sluipverbruik”.

Hoeveel energie kan er worden bespaard?

Helaas is de energiebesparing van een gelijkstroom elektriciteitsnetwerk niet vanzelfsprekend. Of en hoeveel energie er kan worden bespaard, hangt af van de volgende factoren: de omzettingsverliezen in de omvormer, de omzettingsverliezen in de AC/DC-adapters, de timing van het elektriciteitsverbruik, en de beschikbaarheid van energieopslag.

De meest voorspelbare factor is de efficiëntie van de omvormer. Het gaat slechts om één apparaat waarvan de efficiëntie vrijwel altijd minstens 90% bedraagt. (Fabrikanten adverteren een nog hogere efficiëntie maar die maximale efficiëntie wordt alleen gehaald bij een hoge belasting. Bij geringe belasting -- een laag energieverbruik -- kan de efficiëntie dalen tot 50%).

Heel anders is het gesteld met de efficiëntie van AC/DC-adapters. Ten eerste zijn er evenveel adapters als er apparaten in het gebouw zijn, en ten tweede variëert de efficiëntie van een adapter van minder dan 50% tot meer dan 90%. [1,4] Het totale energieverlies van de adapters verschilt dus alnaargelang het type apparaten dat wordt gebruikt –- en hoe ze worden gebruikt, want net zoals bij omvormers daalt de efficiëntie naarmate er minder energie wordt verbruikt (bijvoorbeeld in slaapstand).

AC Power Adapters. Picture by Johann H. Addicks, Wikipedia Commons.

De omzettingsverliezen voor adapters zijn het hoogst voor beeldrecorders (31%), stereo-installaties (21%), computers en hun randapparatuur (20%), herlaadbare gadgets (20%), LED-verlichting (18%) en moderne televisies (15%).

De veliezen zijn lager (10-13%) voor meer alledaagse apparaten zoals ventilators, koffiezetmachines, vaatwassers, broodroosters, verwarmingstoestellen, magnetrons, koelkasten, enzovoort. [14] Merk op dat deze cijfers betrekking hebben op de meest efficiënte apparaten op de markt, gebaseerd op de databases van Energy Star en 80Plus. [1]

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

De energiebesparing hangt in grote mate af van welk type apparaten er wordt gebruikt

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Hoe meer computers, LED's en andere apparatuur met hoge omzettingsverliezen wordt gebruikt, hoe groter het voordeel van een gelijkstroom netwerk. Kantoren zijn uitermate geschikt voor een gelijkstroomnetwerk, omdat computer-apparatuur en verlichting een groot aandeel van het elektriciteitsverbruik uitmaken. In supermarkten en winkels neemt verlichting dan weer een grote hap uit het energiebudget. [5]

Datacenters kunnen een forse vooruitgang in energie-efficiëntie boeken met gelijkstroom, zelfs als de elektriciteit niet van zonnepanelen maar van het lichtnet afkomstig is. In dat geval zit het efficiëntievoordeel in het centraal omzetten van AC naar DC, in plaats van in elk apparaat apart -– een grote adapter is veel efficiënter dan een kleine adapter. [3,4,5,6] (Daarbij moet wel worden opgemerkt dat een verhoogde efficiëntie in datacenters niet tot een energiebesparing leidt omdat de vraag naar data veel sneller stijgt).

In een residentieel gebouw is de besparing meestal kleiner, aangezien er een grotere diversiteit aan apparaten wordt gebruikt, inclusief veel apparaten met minder grote energieverliezen. Voorbeelden zijn wasmachines, koelkasten of keukenapparaten.

Uitwisseling van gelijkstroom elektriciteit met het lichtnet

Uitgaande van een energieverlies van 10% in de omvormer en een gemiddeld verlies van 15% voor alle AC/DC-adapters, zou je bij een overschakeling naar gelijkstroom elektriciteit een energiebesparing van 25% verwachten. Maar deze energiebesparing is alleen haalbaar in een “off-grid” zonne-installatie, waar elektriciteit lokaal wordt opgeslagen in batterijen.

Wisselt de zonne-installate elektriciteit uit met het stroomnet, dan wordt er opnieuw een dubbele energieomzetting geïntroduceerd. Produceert de zonne-installatie meer energie dan er ter plekke wordt verbruikt, dan moet de elektriciteit worden omgezet van gelijkstroom naar wisselstroom om compatibel te zijn met het lichtnet. Wordt er elektriciteit van het lichtnet gehaald omdat de lokale productie lager is dan de lokale vraag, dan moet elektriciteit worden omgezet van wisselstroom naar gelijkstroom.

De pieken in het huishoudelijk elektriciteitsverbruik doen zich voor als er geen of weinig zonne-energie wordt geproduceerd. De grafiek toont het huishoudelijk elektriciteitsverbruik in het Verenigd Koninkrijk. Bron: Daniel Godoy-Shimizu et al., 2014.

Dat betekent dat alleen het elektriciteitsverbruik dat samenvalt met de energieproductie kan profiteren van gelijkstroom. Die energie wordt immers niet naar het lichtnet verstuurd, maar ter plekke geconsumeerd, zonder energieverliezen.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Alleen het elektriciteitsverbruik dat samenvalt met de elektriciteitsproductie kan profiteren van gelijkstroom

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Dit speelt opnieuw in de kaart van commerciële gebouwen, zoals supermarkten of kantoren, waar het energieverbruik meestal plaats vindt tussen negen uur 's ochtends en zes uur 's avonds. Maar in een doorsnee residentiëel gebouw wordt de meeste elektriciteit tijdens de week voor en na die tijd verbruikt, wanneer er geen of weinig directe zonne-energie voorhanden is. Daarom is het voordeel van een gelijkstroomnetwerk thuis eerder klein.

Een onderzoek in veertien Amerikaanse staten [7] kwam tot een gemiddelde energiebesparing van 5%, een onderzoek in Centaal-Europa [5] tot een besparing van 2%. Voor een aan het lichtnet gekoppelde zonne-installatie blijft bovendien een (bi-directionele) omvormer nodig, zodat er ook op dat vlak geen voordeel wordt gerealiseerd.

Gelijkstroom en het belang van energieopslag

Lokale energieopslag verhoogt het nut van een gelijkstroom netwerk in belangrijke mate, aangezien er geen wisselstroom meer aan te pas komt. Net als zonnepanelen leveren batterijen gelijkstroom, zodat er geen DC-AC-DC omzetting nodig is. Bovendien brengt een off-grid installatie een bijkomend voordeel met zich mee: er gaat geen energie verloren bij het transport van elektriciteit tussen de energiecentrale en het huis, een verlies dat in België en Nederland gemiddeld 4-5% bedraagt. (Het precieze percentage kan aanzienlijk verschillen per locatie).

Loodzuurbatterijen voor opslag van energie. Bron: Deepcycle battery store.

Helaas doet een off-grid zonne-installatie de eerder bereikte kostenbesparing voor zonnepanelen teniet, aangezien er in batterijen moet worden geïnvesteerd. Bovendien gaat er in een off-grid installatie energie verloren tijdens het laden en ontladen van de batterijen: dat verlies bedraagt 20-25% voor loodzuurbatterijen en ongeveer 10% voor lithium-ion batterijen. Bijgevolg blijft de timing van het energieverbruik belangrijk: hoe meer het elektriciteitsverbruik samenvalt met de elektriciteitsproductie, hoe groter de besparing.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Een off-grid zonne-installatie doet de eerder bereikte kostenbesparing voor zonnepanelen teniet, aangezien er in batterijen moet worden geïnvesteerd

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Alles bij elkaar kan het voordeel van een gelijkstroomnetwerk dus aanzienlijk variëren alnaargelang de omstandigheden. Als alle elektriciteit overdag wordt verbruikt en de belasting voornamelijk bestaat uit computers en LED-verlichting (bijvoorbeeld in een kantoor), dan bedraagt de besparing op het elektriciteitsverbruik maximaal 35% (uitgaande van 30% besparing voor het elimineren van de DC-AC-DC omzetting, en 5% voor het elimineren van het verlies tijdens het transport).

Wordt alle elektriciteit tussen zonsondergang en zonsopgang verbruikt (bijvoorbeeld in een residentiëel gebouw waar de bewoners lange dagen uit huis werken), en bestaat de belasting uit diverse apparaten met een DC-AC-DC omzettingsverlies van 15%, dan bedraagt de besparing maximaal 15% in het geval van lithium-ion batterijen, en maximaal 0-5% in het geval van loodzuurbatterijen. Uiteraard zijn dit allebei hypothetische situaties, en ligt de werkelijke energiebesparing altijd tussen deze twee extremen in.

Gelijkstroom maakt off grid installaties duurzamer

Door de introductie van batterijen gaat het kostenvoordeel van een gelijkstroom netwerk verloren, maar hoe zit het dan met de ingebedde energie? De productie van batterijen kost ongeveer evenveel energie als de productie van zonnepanelen, dus het lijkt alsof er ook op dat vlak geen vooruitgang wordt geboekt. Maar dan zien we een belangrijk punt over het hoofd.

Studies die de energieproductiekost van aan het net gekoppelde zonne-installaties onderzoeken, houden helemaal geen rekening met het feit dat lokale tekorten worden aangevuld met elektriciteit van het stroomnet. Nochtans impliceert dat een backup van klassieke energiecentrales, waarvan het brandstofverbruik en de ingebedde energie mee in rekening moeten worden gebracht.

De energieproductiekost van een off grid zonne-installatie omvat daarentegen alle onderdelen van een autonoom energieproductiesysteem. Wat telt, is hoe een off-grid installatie met gelijkstroom zich verhoudt tot een off-grid installatie met wisselstroom, en in dat geval heeft gelijkstroom een duidelijk voordeel, zowel op het vlak van kosten als duurzaamheid: er zijn tot 30% minder zonnepanelen en batterijen nodig.

In het volgende artikel gaan we dieper in op de praktische kant van een autonome gelijkstroom zonne-installatie. Hoe pas je apparaten aan zodat ze op gelijkstroom werken, welke spanning kies je, hoe verdeel je de elektriciteit?

Kris De Decker

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

BRONNEN

[1] Catalog of DC appliances and power systems (PDF), Karina Garbesi, Vagelis Vossos en Hongxia Shen, 2011

[2] Study and simulation of a DC microgrid with focus on efficiency, use of materials and economic constraints, Simon Willems & Wouter Aerts, 2013-14. Onderdeel van Project Gelijkspanning, Haagse Hogeschool.

[3] Direct Current supply grids for LED lighting, LED professional

[4] Comparison of cost and efficiency of DC versus AC in office buildings, Giuseppe Laudani, 2014

[5] DC building network and storage for BIPV integration, J. Hofer et al., CISBAT 2015, 2015

[6] DC microgrids and distribution systems: an overview. Ahmed T. Elsayed et al. In Electric Power Systems Research, 2015

[7] Energy savings from direct-DC in US residential buildings, Vagelis Vossos et al, in Energy and Buildings, 2014

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Meer artikels over zonne-energie:

• De Chinese zonnekas: een alternatief voor de glastuinbouw?
• De fruitmuur: stadslandbouw in de 17de eeuw
• Zonnepanelen: steeds goedkoper, maar ook minder duurzaam
• Batterijen maken van zonne-energie een energie-intensieve energiebron
• Draait de industrie straks op geconcentreerd zonlicht?
• Het dubbele dividend van lokale energie

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Comments

[Geplaatst door: Erik]

(1)

Beste Lowtech man,

Zou u eens een rekenvoorbeeld kunnen geven voor de verliezen bij gelijkstroom binnenshuis? Vanaf een paar meter kabel zijn deze al niet onaanzienlijk. Bovendien dienen de kabels overal veel zwaarder uitgevoerd te worden om een even groot risico op doorbranden te garanderen.

Grote huishoudelijke apparaten met gelijkstroom voeden is een probleem. 2kW bij 220v is ongeveer 9A. 2kW bij 12v is 166A. Zelfs bij een 48v systeems is dit nog 42A. Dit zijn erg hoge stromen waar de verliezen vanaf kleine lengtes kabel al beginnen tellen lijkt me.

[Geplaatst door: kris de decker]

(2)

@ Erik

Zoals in de laatste paragraaf wordt vermeld, komt dat aspect in het volgende deel aan bod. Ik kan u in elk geval al verklappen dat distributieverliezen het gebruik van gelijkstroom niet in de weg staan.

[Geplaatst door: Erik Van Malderen]

(3)

in het artikel staat: voornamelijk omdat wisselstroom efficiënter over lange afstanden kon worden getransporteerd. Is dit wel juist? lange afstand transport van grote vermogens is beter in DC, kijk maar naar de DC lijnen van Inga naar Lubumbashi, Cahora Basa naar Zuid Africa, vermogens van meer dan 2000 MW.

[Geplaatst door: Niels]

(4)

Vergeet zeker in het volgende artikel het veiligheidsaspect niet;
- Hoge DC spanning is een stuk gevaarlijker dan AC spanning (ivm het loslaten bij elektrocutie)
- Hoge DC spanning kan niet zomaar aangesloten/losgekoppeld worden zoals een normaal 230VAC stopcontact. (vooroplading/boogvorming)

Er is zeker efficiëntiewinst mogelijk bij het uitvoeren van sommige connecties met DC. Maar het is zeker niet zo universeel als het goede oude 230VAC stopcontact, dat zowel heel grote als heel kleine verbruikers aankan. Voor kleine verbruikers (ivm sluimerverbruik, alhoewel hier in moderne toestellen al grote vooruitgang geboekt is) kan ik het nut wel inzien, maar staar je niet dood op rendement in procenten: 50 procent van 2 watt is nog altijd maar 1 watt.

Vergeet ook niet dat het omzetten van DC naar DC niet efficiënter is als AC naar DC (DC naar DC omvormers werken intern stiekem eigenlijk als DC-"AC"-DC) Het klopt niet dat er bij gebruik van gelijkstroom helemaal geen adaptors meer nodig zijn. Je sluit niet "zomaar" zonnepanelen aan op een batterij zonder een omvormer, om er vervolgens zonder omvormer je laptop op aan te sluiten. De DC spanningsniveaus, in/uitschakelverschijnselen, laadstromen moeten kloppen en geregeld worden...door adaptors helaas.

[Geplaatst door: Paulus Visser]

(5)

Meneer de Decker,

Ik zie veel percentages voorbij komen, maar er wordt voorbij gegaan aan de enorme infrastructuele wijzigingen in het kabelnet en, wat Erik al aanhaalde, de zware koperdraden om de verliezen te beperken en de brandveiligheid te waarborgen, Dit afwegende tegen de hoge koperprijzen... en er zijn nog meer bedenkingen, voor het omvormen van een netspanning van bv 24 Vollt DC naar een bruikbare 12 Volt of 5 Volt is ook electronica nodig met een redementsfactor.

[Geplaatst door: kees]

(6)

In een bovenstaande reactie staat beste Lowtech man.
Helemaal waar.
Bedankt Cris de Decker voor je geweldige artikelen.

[Geplaatst door: Rudy Martens]

(7)

Men mag ook niet vergeten dat aanraking met een gelijkstroomnet dodelijker is bij een lagere spanning dan bij wisselstroom.

Met gelijkstroom en de in deze context vrij hoge stromen die door de kabels lopen is bovendien het brandgevaar vrij hoog. Verhitting en doorbranden van schakelaars en verbindingspunten zijn hierbij een gekend fenomeen.

Denk maar aan de vele brandjes in auto's, boten en caravans. Om dezelfde redenen verplichten bepaalde verzekeringsmaatschappijen om bij winteropslag van boten en caravans de accu's te ontkoppelen.

[Geplaatst door: Ben Nas]

(8)

Zonnepanelen zijn in serie geschakeld en leveren hoge spanningen (300 volt)
Parallel schakelen kan ook zodat er lage gelijk spanningen mogelijk zijn .
Een LEDlamp heeft eigenlijk een spanning nodig van 1.8 volt
Eén 5 volt-net in huis kan een hoop opladers en omvormers vervangen.

[Geplaatst door: Diemer]

(9)

Op mijn motorkruiser laad ik zomers de accu's (12Volt) met een zonnepaneel van 250Wp. Verleden jaar heb ik een tablet gekocht die een 12 Volt ingang heeft. Met een simpel mini USB snoertje laad ik mijn tablet op zonder omzet verliezen. De besparing van 30 % is op mijn motorkruiser in de praktijk aangetoond: ook op bewolkte dagen levert het zonnepaneel nu genoeg stroom voor mijn totale energiebehoefte.

[Geplaatst door: Maarten Beisterveld]

(10)

Beste redactie, hartelijk dank voor dit interessante artikel over gelijkstroom. Mijn vraag is echter waarom er bovenaan het artikel een prent wordt gezet met de afbeelding van Edison? Edison wordt veelal neergezet als een genie en de "grootste uitvinder alle tijden". Niets is echter minder waar. Edison heeft vrijwel al zijn ideeën van anderen gestolen en als die daarover klaagden, deed hij hen een proces aan. Gezien de macht en kapitaal waarover Edison beschikte, was een zaak bij voorbaat al voor de oorspronkelijke uitvinder al verloren (er gaan ook geruchten over knokploegen). Verder heeft Edison de ontwikkeling van wisselstroom een hele tijd lang geblokkeerd en gebruikte Edison zelfs mensenoffers (terechtstellingen) om zijn concurrenten in een kwaad daglicht te stellen ("Westinghousen" is een term van Edison). Ook Tesla werd door E. ten gronde gericht. Voorwaar geen fraai voorbeeld van een gelijkstroom-pionier. De echte "uitvinders" van gelijkstroom, Volta, Orsted en Ampere, verdienen het echt veel meer om vermeld te worden dan Edison.

[Geplaatst door: Simon]

(11)

Alle kritiek in de reacties ten spijt is het gelijkstroom concept een oud en beproefd concept.

Tot op heden dage maakt de beroepsvaart (zowel Zeegaand als Binnenwateren) voornamelijk gebruik van gelijkstroom in alle scheepvaart gerelateerde apparatuur.

De huidige binnenvaartschepen varen met een dubbele systemen, 24volt gelijkstroom voor het Nautische deel omdat dit betrouwbaarder is, 220/230 wisselspanning voor huishoudelijke apparatuur, en 380v wisselspanning voor industriële machines zoals zware electromotoren voor bijvoorbeeld de hydraulische aandrijving van bv het roerwerk of autolaadkraan of bunkergiek.

Het excuus dat het gebruik van een (bijvoorbeeld) 24volt gelijkstroom net in een huishouden te gevaarlijk zou zijn is dan ook zwaar overtrokken.

Persoonlijk zie ik een combinatie van beide systemen naast elkaar als het beste alternatief.

Zelf leg ik dergelijke systemen op kleine schaal regelmatig aan in gebouwen zonder vaste electra aansluiting zodat de meest basale zaken zoals verlichting (12v led) en opladen van allerlei randapparatuur via het 12v net gaan waardoor er niet constant met agregaten gedraait hoeft te worden.

Zodra deze wel gebruikt worden voor bijvoorbeeld de wasmachine dan wordt de rest-spanning gebruikt om de accu's extra bij te laden aangezien de zonnepanelen het in de winter niet volledig redden.

[Geplaatst door: kris de decker]

(12)

@ Erik Van Malderen (#3)

Tot ongeveer 1960 was alleen AC geschikt voor transport van elektriciteit over lange afstanden. Zoals verder in het artikel staat, is dat dankzij de vooruitgang in vermogenselektronica nu anders en wordt hoogspanning DC inderdaad ook gebruikt voor lange afstanden. We komen daar nog op terug in de context van DC netwerken op buurtniveau, in het volgend artikel.

@ Rudy (#7)

Volgens mijn informatie levert een 12/24/48V DC netwerk geen gevaar op voor brand of elektrische schokken bij apparaten met een laag vermogen (< 100W)

@ Maarten (#10)

Ik ben me bewust van de vuile rol die Edison speelde. Maar ook Westinghouse was niet de uitvinder van AC. Ik had niet de bedoeling om diep in te gaan op dat historische verhaal (daar is al heel veel over geschreven), daarom koos ik ervoor de twee zakenmannen tegenover elkaar te zetten, in plaats van alle uitvinders die een rol hebben gespeeld.

Afgezien daarvan is gelijkstroom nogal lastig te verbeelden, ik weet niet goed welk beeld ik anders moet gebruiken.

[Geplaatst door: Rudy Martens]

(13)

@Kris:

Bij lage spanningen van 12 en 24 Volt heb je weinig omzeggens geen gevaar als je blanke kabels aanraakt.

Bij hogere spanningen neemt het gevaar bijna exponentieel toe. Vanaf 60 Volt en hoger ervaar je venijnige stekende stroomschokken. 80 Volt wordt héél pijnlijk en 100-120 Volt en hoger ga je niet meer navertellen!

Brand: Hoe lager de spanning en hoe hoger de benodigde stromen die lopen tussen de zonnepanelen/accu's/omvormers en hoe hoger het gevaar voor oververhitting van kabels/connecters/schakelaars.

[Geplaatst door: h. honnest]

(14)

Interessant artikel wederom!

Ik heb alleen het idee dat een belangrijke factor niet mee wordt gewogen. Bij volledig off-grid - want daar pleit je hier toch voor Chris? - gaat het niet alleen om het opvangen van de variaties tussen dag en nacht. We hebben namelijk ook te maken met grote seizoenverschillen. (Dit wordt door @Simon: reactie 11 ook al kort aangestipt).

Een piekdag in het late voorjaar levert bij een 1100Wp systeem al zo'n 7 kWh aan (DC) opbrengst op, terwijl datzelfde systeem op een sombere en mistige winterdag slechts 0,3 kWh of minder levert... (Een ruime factor 20 verschil.) En we weten dat een bepaald weertype zo een paar dagen tot zelfs weken aan kan houden...

Bijkomstig obstakel is dat we in de wintermaanden juist een grotere elektriciteitsbehoefte zien: in de vorm van licht en wasdroger.

Corrigeer me als ik het mis heb, maar volgens mij betekent dat dat we met lokale energie-opslag niet voldoende vooruit zouden kunnen in de donkere maanden en er dan dus op een of andere wijze ook elektriciteit van buitenshuis zal moeten worden aangetrokken...

Tenzij er mogelijk belangrijke elektrische activiteiten zijn die we goeddeels naar het voorjaar- zomerseizoen over kunnen hevelen. Of we moeten voor een periode van ettelijke weken aan stroom op kunnen slaan? En over wat voor batterijcapaciteiten spreken we dan?

En als dit laatste niet goed te doen is, op welke manier kunnen we die extra winterstroom dan efficiënt aan ons off-grid netwerk toevoegen? Wellicht met een elektrische auto, die elders aan het AC net wordt opgeladen? Of kunnen we het off-grid systeem gedeeltelijk ook naar buurtniveau 'transformeren' en kan er dan in de winter wekelijks een soort ‘stroomwagen’ langs komen rijden om de gezamenlijke batterij van ons DC wijknetwerk aan te vullen? Of dan toch maar voor een deel aan het net gekoppeld blijven (zoals @Simon, reactie 11 aan de hand van zijn praktijkervaring suggereert)

Het PV systeem fors over-dimensioneren is natuurlijk ook een mogelijkheid, maar waar dan heen met het exces aan zomerstroom? En hoe zit het dán nog met rendementswinst?

Voor zomervakantiedoeleinden zie ik het off-grid DC systeem kortom uitstekend zitten. Bij de jaarrond toepassing heb ik nog zo mijn bovengenoemde twijfels, maar ik sta helemaal open voor rekenmodellen die deze weerleggen.

Zou mooi zijn als het vervolg-artikel daarvoor gaat zorgen :-)

[Geplaatst door: kris de decker]

(15)

@ h.honnest

Het verschil in energieproductie tussen zomer en winter is inderdaad de achilleshiel van zonne-energie, tenminste in onze streken. Er wordt altijd gesproken over de gemiddelde energie-opbrengst per jaar, maar dat is een nietszeggend cijfer als je weet dat de gemiddelde opbrengst in december bijna 9 keer lager is dan in juni (cijfers voor Antwerpen: http://www.gaisma.com/en/location/antwerp.html )

In theorie kan je dat oplossen met batterijen en overdimensionering van de zonne-installatie, maar dan praat je niet meer over een duurzaam of betaalbaar systeem.

Het fundamentele probleem is dat zonne-energie niet zo geschikt is voor onze streken. Ga je naar Spanje, dan is het verschil tussen zomer en winter nog maar 3 tot 4 maal zo groot. In dat geval kan je met een lichte overdimensionering en een aanpassing van de vraag (minder elektriciteit verbruiken tijdens de winter) wel dat verschil overbruggen.

In onze streken moet zonne-energie aangevuld worden met windenergie, anders is het verschil tussen de seizoenen te groot. Kleine windturbines zijn heel inefficient, maar in een buurtnetwerk zou je een grotere windturbine kunnen inschakelen.

[Geplaatst door: Peter]

(16)

Zijn er bepaalde wettelijke normen en regelgevingen verbonden aan off-grid installaties en andere minder traditionele vormen van elektriciteit in huis (bv twee netwerken, 1 DC en 1 AC aan stroomnet)?

[Geplaatst door: roland]

(17)

@h.honnest,
"we moeten voor een periode van ettelijke weken aan stroom op kunnen slaan"
- Om de winter (en herfst!) door te komen moet er voor maanden stroom opgeslagen worden. Met de huidige accu's heel kostbaar, de accu van een elektrische auto voegt daar nauwelijks iets aan toe!
- Bij een overmaat aan PV-systemen kan het huidige netwerk op zonnige dagen de stroom niet verwerken. Vergroting van het netwerk is kostbaar en milieubelastend.

Met het huidige opslaggebrek is in onze streken windenergie leidend en zonne-energie slechts (beperkt) aanvullend. Ook dan zal voor windstilte / luwtedagen nog veel opslag / aanvulling noodzakelijk zijn. Op windrijke dagen kan het stroomoverschot omgezet worden in bruikbare gassen (waterstof) of vloeistoffen.

[Geplaatst door: Arie van Ziel]

(18)

Beste Kris,

Sinds 2010 heb ik een mobiel kantoor (studio Content) uitgerust met pv-panelen en een gelijkstroom 12V netwerk. Juist omdat er in de kantooromgeving vooral (led-)verlichting en computerapparatuur gebruikt wordt en daar de winst het t.o.v. AC het grootst is, zoals je schrijft. Het kantoor maakt gebruik van een 45A omvormer voor de pv-panelen en heeft 6kWh opslagcapaciteit in loodzuuraccu's.

Voor praktijkervaringen (DC is soms een heel gedoe) of meer informatie over de gebruikte omvormers/adapters voor allerlei randapparatuur wil ik je van harte per email meer uitleg geven voor het volgende artikel.

Bij deze ook nog even hartelijk dank voor de steeds zeer informatieve artikelen en het fantastische boek over stralingsverwarming.

[Geplaatst door: Milo Schekkerman]

(19)

Het is een interessant artikel, het zet me flink aan tot nadenken. Transport van gelijkstroom door middel van hoogspanning is wel vele male gevaarlijker dan wisselspanning.

Voor veel apparaten blijft een filter met condensatoren noodzakelijk, omdat netspanning door invloeden van buitenaf 'vervuild' raakt. Sommige apparaten (audio-computers) hebben een absoluut schone voedingslijn nodig.

Transformeren van gelijkspanning zonder warmteverlies wordt een uitdaging. Spanningsdelers en spanningsregelaars 'dissiperen' nog altijd veel warmte. (hoeveel weet ik eerlijk gezegd niet) Maar het is de moeite van het onderzoeken waard.

Het spoorwegennet in Nederland draait grotendeels op gelijkstroom:

https://nl.wikipedia.org/wiki/Elektrificatie_van_spoorlijnen_in_Nederland

[Geplaatst door: Herman Vanmunster]

(20)

Ik lees hier toch redelijk wat misvattingen ivm transport van DC. Sinds enkele jaren slaagt de hoogspannings-vermogen-electronica erin om electriciteit efficiënt om te zetten van AC naar DC en omgekeerd. Transport van DC electriciteit over zeer grote afstanden (internationaal/intercontinentaal) is zeker efficiënter dan AC: geen skin-effect in kabels (dus volledige kabelsectie neemt deel aan transport), geen strooiverliezen, geen electromagnetische straling, ...). In dit geval is sprake van spanningen van 1 MV of meer. Dit is NIET gevaarlijker (noch minder gevaarlijk) dan AC hoogspanning. Bovendien is er bij DC geen sprake meer van een cosinus phi (= fazeverschil tussen spanning en stroom) Dit wil zeggen: het verbruik is steeds zuiver resistief; er is geen sprake van blindvermogen, waardoor er meer energie door dezelfde kabel kan gestuurd worden. Ook aan de laagspanningskant (in huis, kantoor) biedt DC zeker voordelen (als vervanging van een monofazig net). Voor kleine verbruikers is een DC net op zeer lage veiligheidsspanning (ZLSV)zeker veilig. De vraag is echter: wat doen we met de grote verbruikers (alle toestellen met verwarmmingselementen. Enerzijds wordt beweerd dat DC-spanningen van bijvoorbeeld 230V= gevaarlijker zijn dan AC bij elektrocutie (vanwege het feit dat de stroom nooit 'door nul' gaat), anderzijds mag weer niet vergeten worden dat bij 230Vac de topspanning in elke halve cyclus oploopt tot 325V. In feite zijn beide varianten even gevaarlijk en moet even nauwgezet omgesprongen worden met de beveiliging van de installatie.
Er bestaat niet zoiets als één goede oplossing. Een stabiel elektriciteitsnet bestaat uit een combinatie van : zoveel mogelijk lokaal opgewekte hernieuwbare energie + grote energievelden in open ruimtes (zee, sahara, ..)+ een koppeling van lokale netwerken met mekaar + een koppeling over zeer grote afstanden van de grote energievelden dmv HVDC (High Voltage DC). In een overgangsfaze zal er nog lang gebruik gemaakt worden van AC vanwege de historiek die we meeslepen, maar op lange termijn is een omschakeling naar DC zeker zinvol.

[Geplaatst door: Koen Vandewalle]

(21)

Alle systemen met opslag van elektriciteit hebben belangrijke beperkingen in de levensduur het het aantal cycli van batterijen.

De technologie met Lithium batterijen geeft naar mijn ervaring er na vier jaar de brui aan. Nikkel-MH is dan weer meer afhankelijk van een beperkt aantal cycli. Loodaccu's zijn gevoelig voor sulfatering als ze lang leeg zijn. Tot daar een beetje de techniek voor thuisgebruik.

Voor die technieken zou er naast de productie van de batterijen, een business moeten opgericht worden om ze na 5 of 10 jaar goedkoop en milieuvriendelijk te regenereren.

Accu's met gesmolten metalen zijn meer geschikt, maar best in een industriële omgeving met technisch beheer. http://www.ambri.com/ Momenteel nog niet echt leverbaar, maar alvast veelbelovend.

Batterijtechnologie heeft een belangrijk nadeel dat de elektronenstroom over een potentiaal moet "springen". Die sprong zorgt (bij vertrek en landing) voor opwarming (de atoomkernen van de ladingdragers die de elektronen verliezen of opvangen, gaan trillen), en dus voor energieverlies. Bij de ambri-batterijen wordt die warmte gebruikt om alles vloeibaar te houden, maar de omzetting in warmte blijft altijd een verlies.

Niet getreurd, als geld en plaats geen probleem is: Ultracondensatoren dan maar. Rendement bij elke stroomsterkte zeer hoog. Miljoenen cycli levensduur. Maar als je de datasheets leest: niet meer dan enkele jaren levensduur. Blijkbaar zitten daar elektrolyten in die ook verouderen.

Als je wil verduurzamen, is het belangrijk dat opslagsystemen voor de lange duur moeten ontworpen zijn, zodat onderhoud en regeneratie of recyclage zo efficiënt mogelijk kunnen gebeuren.

Onze maatschappij heeft net decennialang ingezet op wegwerptechnologie, die in sommige gevallen zelfs niet meer te recycleren is. Soms zelfs niet meer te repareren. En dan heb ik het echt niet alleen over smartphones. Daardoor zijn we relatief goedkope toestellen gewend, maar voor duurzame, herstelbare apparatuur moet je soms het dubbele tot drievoudige betalen, en vooral heb je nogal wat kennis en vakmanschap nodig om de reparaties uit te voeren. Ook technische standaarden moeten courant blijven.

Tegen dat je de bevolking weer zo ver krijgt dat ze opnieuw apparaten kopen die duurzamer zijn, maar die dubbel zo duur zijn als de wegwerpconcurrenten, en waar ze na tien jaar nog eens de helft bovenop moeten betalen om ze te repareren, zal je heel wat eco-belastingen op wegwerp moeten invoeren. Men had dat 30 jaar geleden moeten doen.

[Geplaatst door: kris de decker]

(22)

@ Koen

"De technologie met Lithium batterijen geeft naar mijn ervaring er na vier jaar de brui aan."

De levensduur van batterijen is inderdaad een belangrijk probleem, maar jouw cijfer betreft de levensduur van batterijen in laptops en mobiele telefoons, die regelmatig volledig worden ontladen. Dat beperkt de levensduur van een batterij aanzienlijk. De lithium batterijen voor een zonne-installatie worden normaal gezien nooit helemaal ontladen, wat de levensduur al gauw verdubbelt. Dat betekent uiteraard wel dat er meer batterijcapaciteit moet worden geïnstalleerd.

[Geplaatst door: Wendelin]

(23)

Ik zie een aantal uitdagingen die ik in mijn denkoefeningen voor een off-grid huishoudelijke installatie ook tegen ben gekomen.

De oorzaak van deze denkoefening zijn de hoge belastingen op elektriciteit in België, ik grap wel eens dat ik niet over een kilowattuur meter maar over een belastingmeter beschik want twee derde van mijn elektriciteitsfactuur bestaat uit belastingen.

Het zijn mijns inziens vooral de spanningsverschillen die aan het rendement knabbelen en veel minder de omzetting van wisselstroom naar gelijkstroom.

Die spanningsverschillen tussen opwekking, transport en verbruik zijn groter dan wat je op het eerste zicht zou denken en vooral het transport moet praktisch en economisch haalbaar zijn => niemand wil een verlengkabel van 10 meter die 500 euro kost en die je met een kruiwagen moet verplaatsen en daarom is de huishoudelijke spanning 230 volt en geen 24 volt.

De oplossing waar ik aan denk bestaat uit zonnepanelen met micro inverters (probleem van gedeeltelijke schaduw en dure dikke kabels opgelost) aangevuld met een LiFePo4 batterijbank met 72 cellen (230 volt) voorzien van een AC/DC/AC converter op diezelfde spanning met als capaciteit de opbrengst van de zonnepanelen van 2 dagen (probleem van de verschuiving in tijd tussen opwekking en verbruik opgelost).

Als dump om de zomerpiek op te vangen elektrische warmwaterboilers en als extra voor de winter een diesel/koolzaadolie aggregaat met de waterkoeling aangesloten op de huisverwarming.

[Geplaatst door: plastronneke]

(24)

Voor de energieopslag kan bijvoorbeeld de Vanadium-redox batterij een oplossing zijn. Hoewel deze volume-capaciteit nog niet zo goed presteert, heeft deze wel heel wat voordelen: capaciteit opladen en afgeven volgens wens, lange levensduur (15-30 jaar), minder brandbaar, ...

Deze batterij zit nog in een jong ontwikkelingsstadium, dus evolutie is zeker nog te verwachten. Voor opslag zie ik deze nog zeker in het beeld komen - veel meer dan de Li-Ion.
https://en.wikipedia.org/wiki/Vanadium_redox_battery

DC heeft qua transport wél een paar voordelen tov AC, tenminste bij zeer hoge voltages (HCDC). Slechts 3,5% verlies per 1000km.
https://en.wikipedia.org/wiki/High-voltage_direct_current#Advantages_of_HVDC_over_AC_transmission

[Geplaatst door: plastronneke]

(25)

Toch even nog vermelden dat ik je blog al een hele tijd volg en dat ik deze super interessant vind. Ook de reacties zijn leerrijk. Dus dank aan allen :)

[Geplaatst door: Ruud Sikking]

(26)

Gelijkstroom is ook een goede oplossing voor wie last heeft van elektromagnetische straling van het elektriciteitsnet. Met name vuile stroom kan een groot probleem zijn.

[Geplaatst door: Emma]

(27)

Hoeveel kost het gemiddeld om een heel rijtjeshuis om te zetten tot een gelijkstroomnet?

[Geplaatst door: Gerrit Gijsel, Kalmthout - Belgie]

(28)

Ik ben op zoek naar tips om een elektrische vloerverwarming rechtstreeks op enkele (2,3,4) zonnepanelen aan te sluiten. De energie-opslag is dan de vloermassa, de warmte-afgifte gebeurt continu en geleidelijk. Mits juiste dimensionering (en uitschakeling via thermostaat) zou er geen oververhitting kunnen plaats hebben. Hiermee zou (??) een basis (!) verwarming in verschillende kamers kunnen worden voorzien.
Wat is er daarrond al uitgeprobeerd ?

[Geplaatst door: Rudy Martens]

(29)

Opslag:
Spijtig genoeg vergeet men de Edison Accumulator voor energieopslag. Zo goed als onbeperkte levensduur (de eerste elektrische wagens die nu nog bestaan rijden na 120 jaar nog altijd op dezelde Edison Accumulator). En...de stalen bak, de nikkelhoudende elektroden: 100% recycleerbaar!
Je mag de Edison accu overleeft uitputten, accidenteel overladen, kortsluiting. De investering erin kan je beschouwen als een spaarpot (cfr. Nikkel=synoniem voor geld).
Gelijkspanningssysteem, 12V 24V 48V:
24 Volt systemen zijn brandveiliger dan 12 Volt systemen omdat de stroom door de kabels 50% lager is voor hetzelfde vermogen. Daarom past men op boten 48 Volt systemen toe (en zelfs dan heeft men soms nog brandjes...).

[Geplaatst door: Jan58]

(30)

@Rudy Martens

Deze Ijzer-Nikkel accu's vroegen om veel meer volume dan de lood accu's die ze hebben verdrongen.
En deze ijzer-nikkel accu ging ,als hij eenmaal volgeladen was en er werd toch doorgeladen, waterstof uitstoten.
Deze waterstof uitstoot werd 'in die tijd' ook als een nadeel gezien. Groter risico op brand.
Tegenwoordig zou je de waterstof productie als een plus kunnen zien zolang als je maar iets kunt doen met de vrije uitstoot.
Als vrij gas wil je het niet hebben.

Als huis accu heeft hij dus zeker mogelijkheden. Extra ruimte vraag telt hier vaak minder zwaar.
Zeker de moeite waard om in de gaten te houden dus. Maar vrije bellen met waterstof die wil ik liever niet hebben.

[Geplaatst door: Benjamin Mets]

(31)

Dames en Heren,

Momenteel ontwikkelen wij een gesloten woongebied met 17 huizen. In Twente. Wij willen deze huizen van een eigen dc net voorzien en daarmee onafhankelijk van het openbare net zijn. Ik kan geen bedrijf vinden die zo’n installatie wil of kan? ontwerpen. Heeft u een idee?
Ben Mets