DC geeft veel ­voordelen voor duurzame microgrids

Sinds 2020 heeft Bloemendaal aan Zee, een van de rijkste gemeenten van Nederland, een carport met 5.000 zonnepanelen en 30 laadpunten.

Puzzelen

Dat bleek behoorlijk wat algoritmisch gepuzzel. Met de uitlijning van de zonnepanelen zit het wel snor. Bekendam: ‘Op de ‘carport’ hebben we ze een oost-west-opstelling gegeven. Dan spreidt je de opbrengsten beter over de dag en het seizoen. Ook hebben we rekening gehouden met het stringplan. Met een ‘carport’ heb je eerder kans op schaduwvorming, al helemaal naast een kantoorpand.’
Op het dak van MyOffice, dat onderdak biedt aan kantoren, is voor een noord-zuid-opstelling gekozen. ‘Op het moment dat je het hele systeem in bedrijf stelt, dan begint het eigenlijk pas’, zegt Bekendam. ‘Zero feed-in, dus geen teruglevering en vervolgens peak shaving en load balancing. Als het pand veel vraagt en veel auto’s aan de laadpaal staan, is er onvoldoende vermogen. Wat we dan doen, is eerst de AC-laadpalen afschakelen en daarna de DC. Dat belast het kantoorpand niet. In de loop der tijd gaan we het systeem met ons EMS verder optimaliseren. Wat we hier nu in het klein doen, willen we later ook in het groot ontwikkelen.’

‘Met solid-state circuit breakers maken we een DC-ecosysteem robuust en veel veiliger’

Lokale aanpak

Onder de vlag van Prowind worden daarvoor nu oriënterende gesprekken met ondernemers en parkeigenaren gevoerd. Prowind is opgericht door Johannes Busmann, een veehouder uit het Duitse Bad Bentheim (net over de grens bij Oldenzaal), die in 2000 besloot om windenergie op te wekken, in eerste instantie voor eigen gebruik. Sinds 2018 heeft Prowind een Nederlandse vestiging in Zwolle. Na 2020 is het bedrijf snel gegroeid, nu telt het internationaal ruim 150 medewerkers. Vanaf de start hanteert Prowind een lokale aanpak, dat wil zeggen dat er eerst contact met omwonenden en plaatselijke ondernemers wordt gezocht.
Bekendam licht toe: ‘In Duitsland is burgerparticipatie sterker ontwikkeld dan bij ons. Wij ontwikkelen met iedereen in de omgeving, van burgers en landeigenaren tot gemeenten en ondernemers, een plan waar iedereen achter kan staan. De aanloop duurt weliswaar wat langer, maar daarmee kom je wel verder. Waar vroeger ontwikkelaars contracten met agrariërs afsloten en hun windstroom vervolgens 200 km verderop het net opging, richt Prowind zich op lokale opwek en lokaal verbruik. Zo schep je immers meer draagvlak. De stroom gaat bij wijze van spreken naar de bakker om de hoek of naar een transportbedrijf in de omgeving dat (deels) op elektrisch vervoer overschakelt.’

Op het overdekte parkeerterrein en het belendende kantoor van MyOffice in Zwolle liggen in totaal 680 bifaciale pv-panelen.

Industrieterreinen

De ervaringen die Prowind bij het Transferium met duurzame opwek en verbruik via EMS heeft opgedaan, wil men dit jaar verder uitbouwen. Het kantoorpand in Zwolle is in handen van één eigenaar, MyOffice. ‘Dat vergemakkelijkt de zaak qua inregeling en verrekening’, zegt Bekendam. ‘Als je dat met tien partijen wilt doen, dan wordt het complexer, maar beslist niet onmogelijk.’
De projectontwikkelaar is momenteel vooral in Noordoost-Nederland actief: Friesland, Groningen, Drenthe, Overijssel en Gelderland. Daar liggen industrieterreinen met onder meer veel transportbedrijven. Wil je die, zonder netverzwaring, met duurzame elektriciteit bedienen, dan lukt het niet met zonnepanelen en opslag alleen.
‘Als je gaat uitrekenen wat daar aan elektrisch vermogen nodig is, dan schrik je’, gaat hij verder. ‘Transportbedrijven hebben veel meer behoefte aan windenergie. Gelukkig waait het ook ’s winters en ’s nachts. Technisch vallen opwek, verbruik en opslag goed te combineren. Er zijn nu innovaties op het vlak van DC om dat met hogere rendementen en lagere kosten veel beter te doen. Voor het Solar Transferium hadden we de uitwerking met vooral AC-laadpalen echter al staan. In toekomstige projecten zullen we DC meer omarmen.’

DC Opportunities

Bij korte afstanden tussen duurzame opwekking (van zonnestroom en windenergie) en de eindverbruiker, ligt gelijkstroom (DC) meer voor de hand dan wisselstroom (AC). Elektriciteit uit zonnepanelen en batterijen wordt namelijk altijd via gelijkstroom getransporteerd.
Na zijn dissertatie ‘Steps Towards the Universal Direct Current Distribution System’ aan de TU Delft onderzocht Laurens Mackay vier jaar de mogelijkheden met gelijkstroom. In 2015 richtte hij DC Opportunities op om die bevindingen te commercialiseren. Mackay: ‘Gelijkspanning moet je in het huidige systeem altijd naar wisselspanning omzetten. Conversie – en bijkomende verliezen in de orde van grootte van enkele procenten – vermijdt je dan. Als je kijkt naar wat er in elektronica stuk gaat, dan is dat heel vaak de AC/DC-converter. Als je die converter weglaat, gaat apparatuur veel langer mee. Niet zes tot tien jaar, maar misschien zelfs over de hele levensduur, zo’n twintig tot dertig jaar. Denk aan openbare ledverlichting en solar converters.’
Volgens hem brengt DC grote voordelen met zich mee. ‘Uiteindelijk gaat het niet alleen om de componenten zelf’, vervolgt Mackay, ‘maar ook het werk om die componenten te vervangen. Een led-driver kost enkele tientjes, maar als je iemand op pad stuurt om die te vervangen, dan moet je de hele snelweg afzetten. Bovendien is het zo dat je bij wisselspanning de infrastructuur niet optimaal gebruikt, omdat je altijd tussen de hoogste en laagste spanning in zit.’

Een schema van een slimme stad.

Struikelblokken

Toen elektriciteit zijn maatschappelijke intrede deed, werkten systemen aanvankelijk op gelijkstroom. Deze uitvinding van Thomas Edison was geen lang leven beschoren: Nikola Tesla, de tovenaarsleerling van Edison, zag veel meer in wisselstroom waar Edison geen brood in zag. Tesla verkocht zijn patent aan Westinghouse en begon eind 19e eeuw met de ‘war of the currents’ tegen zijn vroegere baas. Een vuile pr-campagne met beschuldigingen en bedreigingen volgde. Uiteindelijk won Tesla de strijd. Westinghouse bouwde een serie waterkrachtcentrales en bewees daarmee dat wisselstroom veel grotere afstanden tegen lagere kosten dan gelijkstroom kon overbruggen. Zo werd AC wereldwijd de basis van ons energiedistributiesysteem.
Nu zien we het begin van het omgekeerde. Bij decentrale duurzame bronnen als zonnepanelen (en in mindere mate windturbines) speelt afstand natuurlijk veel minder een rol. Bovendien verbruikt alle digitale apparatuur (zoals mobiele telefoons, laptops en ledverlichting) DC, terwijl de kosten voor opslag en zonnestroom jaar op jaar dalen en steeds meer vervoer elektrisch wordt. Het grootste struikelblok is de energie-infrastructuur.
‘Als jij als enkele fabrikant een product wilt verkopen’, licht Mackay toe, ‘dan moet je dat systeem aansluiten op wat er is. Als je een goede DC-solar converter maakt, maar iedereen een AC-net heeft, dan kan niemand die converter gebruiken. Het is in feite een kip-en-eiprobleem; zonder een DC-net maakt niemand DC-componenten. En zonder componenten legt weer niemand een DC-net aan. Verder zijn schaal en massaproductie cruciaal: zonder voldoende schaalgrootte is het bijzonder lastig om op prijs met AC te concurreren, ondanks de efficiencyvoordelen.’

‘Voor een DC-net zal je alle onderdelen tegelijkertijd moeten aanpakken’

Energietransitie

Ondertussen zitten we middenin de energietransitie. Decentrale duurzame bronnen zijn sterk in opkomst, met name zonnestroom. In 2023 lagen er volgens het CBS twaalf miljoen zonnepanelen in zonneparken of op daken bij huishoudens en bedrijven. En dat terwijl netcongestie hand over hand toeneemt. Daar ziet DC Opportunities kansen.
Mackay: ‘Veel huishoudens willen wel overstappen op DC, maar de schaal daarvoor is nog best klein. Wij zijn daarom nu aan het kijken naar grotere projecten waar je per project meer schaal hebt. Bedrijventerreinen liggen voor de hand. Die zullen steeds meer hun wagenpark gaan elektrificeren. Voertuigen worden opgeladen via zonnepanelen boven het parkeerterrein. Dat valt uitstekend te combineren met DC-laadpalen, net als met warmtepompen.’
De eerste commerciële pilotprojecten heeft DC Opportunities al gedaan. De volgende stap wordt bidirectioneel laden vanuit auto’s. ‘Locaties waar netcongestie heel sterk is’, verduidelijkt hij, ‘kunnen geen gecontracteerd vermogen meer krijgen. Die worden verplicht om alle elektriciteit zelf op te wekken en te verbruiken, anders vallen de kantoorpanden stil. Het idee is nu om daar bidirectioneel laden voor in te zetten. Elektrische auto’s van medewerkers fungeren dan als het ware als een flexibele batterij. Tegelijkertijd zien we dat bedrijven elektrische vrachtwagens aanschaffen. Om netcongestie te omzeilen, hebben ze een grote batterij nodig.’
Volgens hem hoeft dat niet. ‘Je kunt gebruik maken van de batterijen van leaseauto’s’, vervolgt Mackay. ‘Dagelijks rijden de meeste medewerkers 50 tot 80 km. Veel van de capaciteit wordt niet gebruikt. Als er dan een vrachtwagen komt die snel moet laden om verder te gaan, dan pak je honderd auto’s die je een klein beetje ontlaadt, zeg 10 kW. In totaal krijg je dan 1 MW aan piekvermogen om die vrachtwagen snel te kunnen opladen. De batterij is gewoon DC, snelladen dus ook. Het verschil is dat je bij een DC-microgrid geen omvormers nodig hebt, alleen een DC/DC-snellader omdat de spanning van de batterij niet hetzelfde is als die van het DC-net.’

Op de carport van het Solar Transferium Zwolle hebben de pv-panelen een oost-west opstelling waardoor de opbrengsten beter over de dag en het seizoen worden uitgespreid.

Ecosysteem

Grootschalige DC-netten staan nog aan het begin van hun ontwikkeling, geeft Mackay onmiddellijk toe. ‘Hoewel openbare verlichting in Nederland meestal al op DC draait, is de schaal nog niet daar. Er zijn echter al wel veel verschillende bedrijven bezig om dit soort oplossingen in de markt te zetten, bijvoorbeeld Current/OS Foundation of Open Direct Current Alliance, die momenteel bekijken hoe bedrijven kunnen samenwerken om ervoor te zorgen dat al de DC-componenten goed op elkaar worden afgestemd. Uiteindelijk moet je echt een DC-ecosysteem creëren, een complete oplossing aanbieden. Want als je één deel mist, lukt het ook niet om een microgrid op DC neer te zetten.’
De belangrijkste aspecten om die ontwikkeling te versnellen, zijn volgens de expert een integrale aanpak, koppeling van productie en consumptie en weinig verschillende DC-producten. ‘Bedrijventerreinen krijgen steeds meer met netcongestie te maken’, zegt Mackay. ‘Voor een DC-net zul je alle onderdelen tegelijkertijd moeten aanpakken. Ga dus niet eerst aan de slag met zonnepanelen en later de laadpalen, want dan wordt afstemming voor een DC-ecosysteem lastig.’
Naast bedrijventerreinen ziet Mackay kansen voor andere (deel)markten. Hij noemt er twee: trams en/of metro’s en DC op bouwplaatsen. ‘Trams en metro’s in binnensteden rijden op gelijkspanning. Daar heb je heel veel vermogen beschikbaar als de trams niet optrekken of niet lang rijden. En op bouwplaatsen speelt, naast netcongestie, de stikstofproblematiek. Met DC kan je bouwmachines snel en gemakkelijk opladen.’

Veiligheid

Menigeen denkt dat gelijkstroom, omdat het nu eenmaal anders werkt, veel minder veilig is dan wisselstroom. Mackay weerlegt dat. ’In AC moet je afschakelen bij 30 mA aan lekstroom’, zegt hij. ‘Bij DC hoeft dat pas bij 80 mA, want DC activeert de spieren van je hart niet zoals bij AC. In die zin is DC minder gevaarlijk om direct aan te raken. Wel is mechanisch schakelen niet zo handig, omdat je dan vonken kunt trekken. Een van de manieren om dat te beveiligen is met solid-state circuit breakers, elektronische schakelaars die tienduizend keer sneller zijn dan mechanische schakelaars die bij AC worden gebruikt.’
Volgens Mackay bieden zulke schakelaars grote voordelen. ‘Aan de ene kant wordt een DC-systeem veel veiliger’, besluit hij, ‘aan de andere kant creëert dat kansen voor een robuuster energiesysteem. Als er iets in het DC-net fout gaat, dan wordt dat onmiddellijk opgemerkt. We kunnen het net opsplitsen, zodat het goede deel van het net gewoon verder draait. Vroeger was dat niet nodig, want als er iets mis ging met de kabel tussen jou en de energiecentrale, dan had je toch geen energie. Nu hebben wij zonnepanelen en elektrische auto’s. En met een elektrische auto kan je jouw woning via gelijkspanning tien dagen lang van elektriciteit voorzien zonder maar iets te veranderen.’

Tekst: Tseard Zoethout
Fotografie: Prowind, DC Opportunities