September 2017

Het DC-huis van de toekomst

Besparen op energie, grondstoffen en kosten

Op vele fronten wordt werk verzet om gelijkspanning een grotere rol toe te delen in ons elektrische leven. Tijdens Building Holland 2017 in Amsterdam RAI, gaf Marcel Wennekes van ABB aan wat de stand van zaken is. Wat hem betreft is gelijkspanning toe aan een opmars in woningen.

Veel apparaten die dagelijks in de woning worden gebruikt werken intern op basis van gelijkspanning. Een woud aan opladertjes voorziet ze in hun energiebehoefte; elk apparaatje zijn eigen spanning en een eigen stekkertje. Bijna alle ladertjes worden tijdens gebruik een beetje warm. Hier gaat in Nederland een aanzienlijke hoeveelheid energie mee verloren. Ruim zeven miljoen huishoudens met een stuk of wat ladertjes, allemaal met een beetje verlies. Het gaat al gauw om enkele MW.

De economische levensduur van al die apparaatjes is relatief kort. Om de twee jaar een nieuwe smartphone is eerder regel dan uitzondering. Telefoon en lader verdwijnen in de recyclingindustrie. Niet voor niets heeft de EU nu bepaald dat alle telefoons met eenzelfde type lader en eenzelfde stekkertje moeten kunnen worden opgeladen. Dan kunnen de laders bij volgende generaties telefoons ongeacht type of fabricaat gewoon in gebruik blijven. Dat scheelt kosten, grondstoffen en afval. Als daarbij ook hogere kwalitatieve eisen aan de ladertjes worden gesteld, kan veel onnodig energieverbruik worden voorkomen.

Marcel Wennekes, productmanager bij ABB: ‘In het dagelijks leven zijn ongemerkt al heel wat toepassingen op gelijkspanning ingeslopen. En dan gaat het niet alleen om communicatieapparaten, zoals smartphones en tablets. Denk ook aan de stormachtige groei van de e-bikes.’

‘Elektrisch vervoer is niet meer weg te denken. Stadsbussen moeten in de steden als grootluchtvervuilers overschakelen naar bijvoorbeeld elektrische aandrijving met accu’s. Met een royaal bemeten accupakket kan een bus een dag lang rijden. Op dit moment is dit alleen nog efficiënt voor lokaal vervoer. In de provincie maken de bussen voor een enkele acculading per dag te veel kilometers. Na een aantal jaren gebruik in de bus loopt de accucapaciteit wel wat terug, maar deze accu’s zijn nog uitstekend toe te passen als thuisopslag bij pv-installaties.’

Besparingen

Wennekes: ‘In de woning zien we steeds meer ledverlichting werkend met een lage gelijkspanning. Ook de huidige generatie tv’s, pc, laptops, tablets en smartphones zijn allemaal apparaten die aan een lage gelijkspanning voldoende hebben. Als we al die gelijkrichters die nu nodig zijn uit het netwerk kunnen elimineren, valt er veel energie te besparen en hebben al die moderne voorzieningen zo’n 40 procent minder componenten nodig. Een besparing aan energie, kosten en grondstoffen en bovenal ruimtebesparing op de printplaten. Ook het vermogen dat via de eindgroepen voor algemene voorzieningen wordt afgenomen, daalt voortdurend. Dit zal ook tot een eenvoudiger installatie-opzet moeten kunnen leiden’.

Bouwkolom

Volgens Wennekes grijpt de transitie naar gelijkspanning aan op een heleboel plaatsen in de bouwkolom. ‘Het is zeker niet alleen een kwestie van wat elektrische componenten. Ook de bouw moet leren omgaan met andere leidingsystemen. Een aantal grote bouwondernemingen, zoals Ballast Nedam, Bam, Dura Vermeer, Heymans en VolkersWessels, werkt samen met fabrikanten van verdelers en bekabeling en leveranciers van elektrische componenten.’ ‘Er is al goed nagedacht over standaardisatie van spanningen. Als we uitgaan van 230 V AC netspanning bereiken we met eenvoudige gelijkrichting een spanning van 230√2 ≈ 350 V DC. Deze spanning valt in NEN 1010 in dezelfde categorie als de 230 V AC, dus geen verzwaring van bijvoorbeeld de isolatie-eisen. Via DC/DC-omzetting kan vrijwel verliesvrij de spanning naar andere niveaus worden gebracht. Verliesvrij betekent vrijwel zonder warmteontwikkeling waardoor de elektronica niet hoeft te worden gekoeld en de schakelingen zeer compact – superminiatuur– kunnen worden opgezet. Voor de lage spanningen is nu gekozen voor 20 V bij 5 A, dus 100 W af te nemen en 5 V 1,5 A, zoals gebruikelijk wordt gehanteerd bij allerhande computertoepassingen en mobiele telefoons.’

‘Dan de contactdoosjes. We hebben gekeken naar de populaire usb-contacten. Er zijn inmiddels meer usb-contacten dan mensen op aarde. Er is nu ook een usb-contact voor wat grotere stromen, het usb-C-contact, voor een vermogen van 100 W.’

Een aantal fabrikanten van wcd’s leveren deze nu al met een ingebouwd usb-A-contact, de 5 V 1,5A-versie. Sommige leveranciers stellen dat hierbij geen nullast-verliezen optreden. Anderen spreken over rendementen van 97 procent. Nauwelijks verliezen dus in vergelijking met gering belaste transformatoren. De elektronica voor het aanpassen van spanningen is zo compact dat die in een usb-stekkertje kan worden weggewerkt.

Besturen

Passieve DC is prima geschikt om kleine vermogens te transporteren, om kleine apparaten op te laden. Door pulsentreintjes op de gelijkspanning te superponeren is ook da- tatransport over dezelfde kabel/bedrading mogelijk. Verlichting in- of uitschakelen, diminstructies; de mogelijkheden zijn bijna onbegrensd. Zelfs koppelingen via internet en ethernet behoren tot de mogelijkheden. Een opstapje om een woning volledig op afstand te kunnen controleren en besturen zonder dat aanvullend kabelwerk nodig is. Eén bekabeling voor zowel energie als datatransport.

Huisinstallatie

Wennekes heeft de mogelijkheden voor gelijkspanning in woningen in een schema gezet (figuur 1). ‘In principe ben ik uitgegaan van voeding door een standaard wisselspanningsnet van 230 V. Met een AC/DC-convertor komt via besturingseenheden 350 V DC op de installatie. De besturingseenheden maken het mogelijk de woning volledig op afstand te controleren. De AC/DC-convertor wordt bi-directioneel uitgevoerd als de woning een pv-installatie heeft en er wordt teruggeleverd aan het net.’ ‘Grotere en kleine verbruikers in de woning worden aangesloten op gescheiden ringen. De grotere verbruikers en de pv-installatie worden op de ‘Power Ring’ aangesloten.

Afhankelijk van het type verbruiker kan er DC/DC-spanningsaanpassing of DC/AC-conversie plaats vinden. Om piekvermogen te verminderen wordt de wasmachine met warmwater gevuld. In een tweede ring zijn de in hoofdzaak kleinere verbruikers opgenomen, zoals verlichting en usb-C-contacten. In deze kring is eenvoudig ook een noodstroomvoorziening op te nemen.’ ‘Op elk punt van conversie vindt ook kortsluitbeveiliging plaats. Kortsluitstromen worden afgeschakeld door elektroniche componenten nog voordat de kortsluitstroom tot te hoge waarde kan groeien. Dat gelijkspanning gevaarlijk zou zijn door het ontstaan van vlambogen behoort in dit concept tot de sprookjes.’

NEC 64

Het overstappen van AC naar DC zal zeker niet zonder de nodige stofwolken gepaard gaan. Het opent wel ongekende mogelijkheden. Wat te denken van een tv op 20 V DC, aangesloten op een usb-C-contact voor stroom en digitaal signaal?

NEC 64, de commissie die steeds weer nieuwe versies van NEN 1010 het licht laat zien, buigt zich nu ook over uitbreiding van het onderdeel DC. De eerste projecten met DC in woningen zijn of worden binnen afzienbare tijd opgeleverd. Bij gelijkspanning gaat elektronica een stevig deel uitmaken van het distributienetwerk.

Tekst: Bob Verheul
Fotografie: Industrie