Innovaties voor Gebouwen: Gelijkspanning in woningen en utiliteit

De wereldwijde vraag naar elektriciteit zal naar verwachting met 20% stijgen tegen 2030, met een toenemende druk om over te schakelen naar hernieuwbare energiebronnen zoals zonnepanelen. Deze panelen produceren van nature gelijkspanning (DC). In gebouwen werken inmiddels meer dan 70% van de apparaten al op gelijkspanning, maar de energiedistributie vindt nog altijd plaats met wisselspanning. Kunnen we de energietransitie versnellen met DC-microgrids?

In de jaren 1880 vochten Westinghouse (AC) en Edison (DC) in de War of the Currents voor hun respectievelijke oplossingen voor elektriciteitsdistributie. Dankzij de uitvinder Nikola Tesla won wisselspanning (AC) uiteindelijk. Belangrijk hierbij was dat de infrastructuur voor gelijkspanning technisch lastig realiseerbaar was. Sinds die tijd wordt onze elektrische infrastructuur gedomineerd door wisselspanning.  Maar tijden veranderen!

Tegenwoordig werken meer dan 70% van de apparaten in gebouwen op gelijkspanning (DC). Om die apparaten te laten werken moet wisselspanning omgezet worden in gelijkspanning. Deze AC-DC omvormers zijn minder efficient dan DC-DC omvormers en bevatten 40% meer componenten. Een apart DC-net zou daardoor kunnen zorgen voor energiebesparingen en een verminderde impact op het milieu. 

Het Internationaal Energieagentschap meldt dat gebouwen in 2021 ongeveer 30% van het wereldwijde eindenergieverbruik en 27% van de totale CO2-uitstoot van de energiesector voor zijn rekening nam (*inclusief de bouw en alle toepassingen binnen gebouwen). Overheden leggen met ambitieuze richtlijnen steeds meer druk op de bouwsector om de koolstofvoetafdruk van gebouwen te verminderen. 

De overstap naar gelijkspanningsnetwerken zou een belangrijke stap voorwaarts kunnen zijn, ook al omdat tegelijk met de nieuwe richtlijnen er ook veel meer gelijkspanningsgevoede apparaten in gebouwen worden gebruikt. Denk hierbij aan LED-verlichting, airconditioning, verwarming, de opkomst van elektrische voertuigen (EV) en de meeste andere vermogenselektronica. De groei van zonnepanelen en de opkomst van batterijopslag maakt het voordeel van een DC-net nog groter.

Betrouwbare bekabelingsoplossingen voor DC-microgrids

De interesse in DC-microgrids voor laagspanning (LV) en middenspanning (MV) zal toenemen als gevolg van ingrijpende veranderingen in de manier waarop elektriciteit wordt opgewekt, opgeslagen en verbruikt. Wij zijn ervan overtuigd dat AC- en DC-netwerken in aanzienlijke mate naast elkaar zullen bestaan.

Deskundige kennis van het gedrag van het isolatiesysteem is van vitaal belang om de betrouwbaarheid van LV-kabels en accessoires in gebouwen te waarborgen. Het gedrag van LVAC-kabelsystemen is grotendeels bekend, maar dat geldt nog niet voor LVDC.

Een van de aandachtsgebieden van Nexans' R&D-center AmpaCity is het optimaliseren van ons kabelontwerp. Dit wordt bereikt door onderzoek naar het elektrische gedrag van isolatiesystemen onder DC-stresstesten en de invloed van gelijkspanning op kabelbreuk, -veroudering en -corrosie. We verrichten tevens onderzoek naar effectievere polymeren voor DC-kabelisolatie met een lagere milieu-impact dan de klassieke AC-compounds.

De DC-transformatie in gebouwen is al realiteit

Zoals eerder vermeld, komt energieopwekking steeds dichter bij de vraag te liggen. Zonne-energie op daken wordt steeds gebruikelijker. De EU-strategie voor Zonne-energie stelt de installatie van zonnecellen op daken verplicht op nieuwe openbare, commerciële en residentiële gebouwen. Deze PV-panelen produceren van nature gelijkspanning. Dit geldt ook voor batterijopslag op locatie, zoals een veelgebruikte toepassing van batterijopslag op locatie voor ononderbroken stroomvoorzieningen (UPS'en), die door bedrijven en datacenters worden gebruikt om de continuïteit van de energievoorziening te waarborgen. Tot slot is er een grote groei van energieopslagsystemen in batterijen (BESS'en).

Een andere belangrijke verandering in de afgelopen jaren is de groei van elektrische voertuigen (EV's) en de behoefte aan DC-laadstations in commerciële, residentiële en kantoorgebouwen. Omdat wereldwijd beleid de overstap naar EV aanmoedigt en verplicht stelt, groeit de markt voor DC laders snel, met een geschat samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 29% van 2023 tot 2050.

Decentrale DC-distributie

Het decentraal distribueren van gelijkspanning in een gebouw biedt belangrijke voordelen op het gebied van veiligheid, kosten en betrouwbaarheid van apparaten.

Vanuit veiligheidsoogpunt is wisselspanning inherent gevaarlijker. In feite wordt het risico van elektrocutie van het menselijk lichaam door gelijkspanning als lager beschouwd dan bij wisselspanning. Bij wisselspanning speelt de capaciteit van het menselijk lichaam een rol en bovendien is de piekspanning √2 keer zo groot wat bij het lichtnet (230 V) dus overeenkomt met 325 V.  Voor snelgroeiende categorieën zoals EV-laders betekent de overstap naar gelijkspanning- in plaats van wisselspanningladers in theorie een betere algemene veiligheid.

De datacentersector is goed voor ongeveer 4% van het wereldwijde elektriciteitsverbruik en zal naar verwachting blijven groeien. Het verbeteren van de energie-efficiëntie in deze sector is cruciaal. Kostenbesparingen in elektriciteitsintensieve gebouwen zoals datacenters op gelijkspanning kunnen bijvoorbeeld besparingen van 4-6% opleveren in vergelijking met conventionele AC-installaties.

Door gelijkspanningsapparaten (" verbruikers ") direct van gelijkspanning te voorzien, worden conversieverliezen verminderd en wordt zo direct een energiebesparing bereikt. Belangrijker is dat het AC naar DC conversieproces op apparaatniveau de levensduur verkort, omdat het meer kwetsbare compenenten bevat. Zo kan het rechtstreeks distribueren van gelijkspanning naar een LED-armatuur (waardoor de AC naar DC conversie wordt vermeden) de levensduur aanzienlijk verlengen. Bovendien verlaagt het decentraal distribueren van gelijkspanning de kosten en voetafdruk van AC naar DC adapters en converters.

Overgang naar gebouwen met DC microgrids

Concluderend is de komst DC-energienetwerken in gebouwen nabij, maar verandering zal tijd kosten. Zelfs met een overstap naar DC-microgrids zijn er nog andere belangrijke uitdagingen die de komende jaren moeten worden aangepakt, met name de acceptatie door professionals in de sector, van wie velen meer vertrouwd moeten raken met DC-grids en de voordelen ervan. Dit komt door de lange ervaring met en kennis van wisselspanning.

Verder is er vooruitgang nodig op het gebied van bouwnormen en -voorschriften met specificaties voor gelijkspanningsapparaten, evenals verdere analyse van de kosteneffectiviteit van gelijkspanningsdistributie bij renovatie en nieuwbouw.

Kabels vertegenwoordigen 1% van de elektrische materialen in gebouwen en zijn een cruciale schakel in de overgang naar DC-gevoede structuren. De gebouwen van morgen zullen slim, verbonden en duurzaam zijn en worden aangedreven door gelijkspanning. Nexans zet zich in voor deze transformatie door specifieke kabelsystemen te produceren die compatibel zijn met deze nieuwe infrastructuren. En onze strategische partnerschappen en betrokkenheid bij belangrijke industriegroepen helpen om de overgang naar DC-aangedreven gebouwen werkelijkheid te maken.