artikel

Hogeschool werkt aan ombouwsets voor DC-woning

energie

Het moet op tamelijk korte termijn mogelijk zijn om een woning compleet op gelijkstroom te laten draaien. De Haagse Hogeschool werkt hard aan oplossingen om witgoedapparatuur om te bouwen naar DC. Hoe kan zo’n gelijkspanningsnetwerk eruitzien?

Hogeschool werkt aan ombouwsets voor DC-woning
Deze current router levert 5600 watt.

Door Richard Mooi

DC heeft de toekomst, vindt de Haagse Hogeschool, waarvan de techniekafdeling huist op het terrein van TU Delft. Het maakt een einde aan conversieverliezen, verduidelijkt hoofddocent Johan Woudstra, zorgt ook voor efficiënter kopergebruik en maakt het inpassen van duurzame energie makkelijker. “Zonne-energie is al DC.” Met DC is het veel beter mogelijk het vermogen naar apparaten tijdelijk te verminderen, bijvoorbeeld als er schaarste heerst. “Vanuit de meterkast kun je gemakkelijk energie knijpen.”

Onderzoeksprogramma

De eerste kantoren die grotendeels op DC draaien zijn een feit. Daar is de overstap relatief eenvoudig. Er is vooral ICT-apparatuur met nieuwe USB-aansluiting, USB-c. Wasmachines, haarföhnen, en broodroosters ontbreken in kantoren. Maar de overstap naar een complete DC-wereld wordt pas succesvol als woningen overgaan naar DC. Om dat te bespoedigen is bij de Haagse Hogeschool een speciaal het onderzoeksprogramma ‘Gelijkspanning breng(t) je verder’ opgestart, waar studenten en onderzoekers eendrachtig naar oplossingen zoeken. En daar ook al in zijn geslaagd.

DC-kookplaat met links de nieuwe print.

Backbone 350 volt

Het hart van de DC-infrastructuur in (bestaande) woningen vormt de VD-bedrading waar 350 Vdc op komt te staan in plaats van 230 Vac. Door de hogere spanning is er meer vermogen beschikbaar. Immers, bij 16 ampère en 350 Vdc is er 5600 watt beschikbaar voor verbruikers. Dat is ongeveer 2000 watt meer dan bij 230 Vac. Zo kunnen op één DC-eindgroep twee of drie witgoedapparaten worden aangesloten. Of bijna een complete keuken. In nieuwe huizen wordt de infrastructuur daardoor eenvoudiger. Er hoeft eenvoudigweg minder koper naar de meterkast te worden getrokken. Woudstra denkt dat twee tot drie DC-eindgroepen in een woning volstaan. De grootverbruikers worden direct op de backbone aangesloten. Stekkers en wandcontactdozen ontbreken.

Aftak 48 volt en USB-c

DC 350 volt is geen veilige spanning. Voor het aansluiten van vaste verlichting of ventilatoren denkt de Hogeschool aan kleine netten met aanraakveilige spanning (48 volt). De DC/DC-omvormer kan worden weggewerkt in een centraaldoos. Door draadloos elektronisch te schakelen zijn geen zakleidingen en mechanische wandschakelaars nodig. De meeste kleinverbruikers die nu nog met een stekker in het wandcontactdoos worden gestoken, krijgen voeding via USB-c. Deze nieuwste USB-variant heeft een spanningsniveau tot 20 volt en maximaal 5 ampère, dus 100 watt. Het zijn nu nog voornamelijk tablets, smartphones en laptops die USB-c hebben. De verwachting is dat er schermerlampen en oplaadbare stofzuigers met USB-c komen.

Converter in inbouwdoos

Ook DC/DC-converters voor één of meerdere USB-connectoren kunnen erg compact worden. Zo’n converter moet namelijk in een inbouwdoos passen. ABB werkt aan een speciale inbouwdoos met goede warmteafvoer, vertelt Woudstra. Hij werkt liever met decentrale omzetters in plaats van centraal vanuit de meterkast. Vervolgens moet de e-installateur allemaal draden trekken naar de lichtpunten en wandcontactdozen met USB-c. “Dan krijg je een bos aan kabels en verlies je het idee van koperbesparing.” De Hogeschool verwacht dat de inbouwconverters in centraal- en inbouwdozen zeker zo’n jaar of tien meegaan. Het vervangen is werk van de e-installateur, ook vanwege de hoge DC-spanning aan primaire zijde.

De current limiter past in sommige stofzuigers op de plaats van het printje met de toerentalregeling, hier uiterst links op de foto.

Meterkast

De meterkast in het DC-huis ondergaat een metamorfose. Geen mechanische automaten en aardlekschakelaars, maar een zogenaamde current router per afgaande groep. De router bevat de aardlekbeveiliging en bewaakt de stroomsterkte en kortsluitstroom. Bij een kortsluiting grijpt de elektronica pijlsnel in. Aan de steilheid van de stroom weet de elektronica dat het mis is. Nog voordat er de sterke kortsluitstroom loopt is de spanning al afgeschakeld. Testen in het DC-lab wijzen uit dat het werkt. Valt er een dun draadje op de fase en nul van AC 230 V, dan ontstaat een enorme lichtflits voordat de automaat tript. Het draadje is bijna compleet verbrand. Bij dezelfde proef tussen de DC-geleiders is er nauwelijks iets te zien. De current router schakelt de  groep zo snel af, zodat het kortsluitdraadje ongehavend uit de strijd komt.

Current routers

De current routers worden gevoed door een bus met 350 Vdc. Daarop zijn ook de zonnepanelen aangesloten. De MPP-tracker met DC-converter levert spanning af op dat niveau. Een accu kan eveneens op de bus worden aangesloten. In de (verre) toekomst levert, volgens Woudstra, de netbeheerder 350 Vdc aan, maar zolang het nog niet zo ver is, is een AC/DC-omzetter noodzakelijk. Accu-opslag op huisniveau zal waarschijnlijk niet doorbreken, verwacht hij. “Naar mijn mening hoeft niet ieder huis een opslag te hebben, maar krijg je dat op wijkniveau. Dan wordt het professioneel beheerd.”

Witgoedapparatuur

Het grootste pijnpunt zit ‘m bij de witgoed- en keukenapparatuur. Vaak allemaal stroomvreters met een verwarmingselement. De Haagse Hogeschool zet hier vol op in. Afgestudeerde Diëgo Zuidervliet lukte het de inductiekookplaat geschikt te maken voor DC. Gemakkelijk ging dat niet. Hij ontwierp een compleet nieuwe print. Het afstudeerproject van Zuidervliet was zo succesvol, dat keukenfabrikant Atag de inductiekookplaat omarmde. Sterker nog, Zuidervliet is vier dagen in dienst bij Atag. Als engineer onderzoekt hij wat nodig is om de complete keukenapparatuur hybride te maken, geschikt voor DC en AC. “Ook de afzuigkappen en ovens.”

Current limiter

Behalve Zuidervliet, nu één dag per week als onderzoeker werkzaam voor de Hogeschool, zwoegen inmiddels ook andere afstudeerders en diverse studenten op het ombouwen van bestaande witgoedapparatuur. “Stofzuiger, infraroodpanelen, magnetron, wasmachine”, somt Zuidervliet op. Het ombouwen van de koelkast is neergelegd bij een Belgische Hogeschool. Het blijkt dat witgoedapparaten vaak gewoon op 350 Vdc kunnen werken. In ieder geval kan de besturingsprint dat. Daar zit een schakelende voeding in, om AC naar DC om te zetten. Zo’n voeding blijkt een DC-spanning van 350 V ook naar lagere DC-spanning te converteren. “Dat werkt eigenlijk met alle moderne elektronica, zolang er maar geen transformator inzit.”

Het gaat in bijvoorbeeld de wasmachine en vaatwasser mis met relais’ en verwarmingselementen. Het relais schakelt een DC-stroom maar één keer, daarna zijn de contacten verbrand door de vlamboog. Bovendien geeft het element door de hogere DC-spanning te veel warmte af. De oplossing is de current limiter. Een printje dat het relais vervangt en de stroomtoevoer naar het verwarmingselement of de motor begrenst. De print voor de current limiter is inmiddels uitontwikkeld en past zelfs in sommige type stofzuigers. Een magnetron is een wat moeilijker apparaat om geschikt te maken voor DC, vertelt Zuidervliet. Maar aan het opengewerkte model in het DC-lab te zien, is de strijd nog in volle gang.

Proeftuin(en)

Het enthousiasme bij de Haagse Hogeschool voor DC is groot, zeker nu er al veel in gang is gezet. De onderwijsinstelling wil de vaart er inhouden en demoprojecten opstarten. Het eerste demoproject wordt waarschijnlijk de ombouw van studentenwoningen op het campusterrein van TU Delft. Deze studentenwoningen zijn meestal niet voorzien van veel apparatuur, zodat ombouw en vervanging van apparaten eenvoudig is. Grotere proefprojecten liggen eveneens in het verschiet. Voor de zomer wil de Haagse Hogeschool een subsidieaanvraag indienen voor een groter proefproject met meerdere woningen. Daar waar het niet mogelijk is om bestaande apparaten met de current limiter uit te rusten, krijgen bewoners geschikte apparatuur. En bijvoorbeeld een nieuwe televisie met voeding via USB-c. Of en wanneer DC definitief woningen verovert, durven Zuidervliet en Woudstra niet te voorspellen. Het tijdpad voor de proefprojecten is al wel in beeld. “Over twee of drie jaar zijn we zo ver.”

DC/AC-wandcontactdozen
Het zal niet lukken om alle huidige keukenapparaten om te bouwen, voorzien de onderzoekers van de Haagse Hogeschool. Het tosti-ijzer, de broodrooster, de waterkoker en het koffiezetapparaat bezorgen de onderzoekers hoofdbrekens. Het zijn apparaten zonder elektronica, maar wel met een mechanische thermostaatschakelaar. Hoofddocent Woudstra voorspelt dat steeds meer keukenapparatuur draadloos wordt, net zoals de stofzuiger. Die apparatuur is dan vanuit USB-c op te laden. Lastiger wordt het met apparaten met een verwarmingselement. Het kan zijn dat er daarom bij het aanrecht een wandcontactdoos komt met 230 Volt AC. Niet gevoed vanuit de meterkast, maar vanuit het 350 V DC-net. Een inverter die DC omzet naar AC. “De omgekeerde wereld”, vat researcher Zuidervliet samen.

 

Reageer op dit artikel