En is dit een antwoord op de groeiende behoefte aan elektrische energie?

De groei van onze behoefte aan elektrische energie neemt fors toe. We hebben meer elektrische apparaten in huis, we schakelen over naar elektrisch koken en in veel gevallen ook naar elektrisch verwarmen. Als je de ruimte hebt (fysiek en financieel), komt er een eigen laadpaal voor een elektrische auto op de oprit en vervolgens groeit de eigen opwek door steeds groter wordende zonnepanelen. Hoe leid je dit alles in goede banen zonder de elektrische huisaansluiting te verzwaren en zonder dat de stoppen doorslaan?

Het is een probleem waar ik al jaren aan werk. De energie transitie in mijn huis (van gas naar gasloos) is 12 jaar geleden begonnen. En met alles wat ik de afgelopen jaren zelf heb gebouwd, kan ik nu stellen dat er een redelijk robuust systeem in huis ligt. Een energiesysteem dat all-electric is en met een standaard 3-fase huisaansluiting van 3x25A in alle behoeften kan voorzien. De woning voorziet ook in de energie en verwarming van een nevenwoning (tuinhuis) waar jaarrond gasten verblijven. De gezinssituatie samen met de gasten is dan het equivalent van 6 volwassenen.

Welke richtlijnen voor elektrische apparaten heb ik gebruikt

Uitgangspunt was dat ik de huisaansluiting van 3x25A niet wilde verzwaren naar 3x35A. Het scheelt gewoon ruim € 500 per jaar aan vastrecht. Het totale vermogen is daarmee dan gelimiteerd tot 3x25Ax230V= 17.250kW of 5.750kW per fase.

Als je 3 fase tot de beschikking hebt, probeer dan ook zoveel als mogelijk 3 fase apparatuur te gebruiken. Dan krijg je een verdeling van de gebruikte energie over de drie fasen. In ons huis zijn de kookplaat, lucht-water warmtepomp, doorstroomboiler en het verwarmingselement in het buffervat 3 fasen uitgevoerd. Ook de laadpaal is inmiddels 3 fase maar de auto’s laden beide nog enkelfase. En natuurlijk de omvormer van de zonnepanelen, deze is ook 3 fase.

Het ontwerpen van de elektrische installatie begint met “het eind in zicht”. Je bepaalt eerst je verbruikers en de waarde van je aansluiting van het energiebedrijf en vervolgens je groepenkast en je installatie.

Wat is selectiviteit en hoe pas je dat toe?

Een belangrijke ontwerpbeperking in elke meterkast is de maximale waarde van de zekering (automaat) voor de aangesloten apparatuur. Voor het ontwerp van een meterkast hebben we te maken met de zogenaamde selectiviteit. Met selectiviteit wordt bedoeld dat beveiligingscomponenten in een elektrische installatie zodanig worden gekozen dat alleen een beveiligingscomponent dat zich direct achter de plek – of upstream – van een eventuele fout (kortsluiting of overbelasting) bevindt, verantwoordelijk is voor het afschakelen van die fout. Met een rekensom kunnen we de selectiviteit voor kortsluiting en overbelasting eenvoudig vaststellen. Deel de bovenliggende zekeringwaarde door 1.6 en je weet de maximale waarde van de onderliggende zekering. Dus met een huisaansluiting van 25A, is de maximaal waarde van elke automaat in de meterkast 25/1.6=16A. In de praktijk kan het iets complexer zijn, o.a. door lange leidingen en/of dunne bedrading maar met een goed ontworpen systeem is dit het uitgangspunt.

Deze maximale waarde van 16A betekent dat een aangesloten apparaat enkelfase nooit meer dan 3.680 Watt mag verbruiken of een driefase apparaat niet meer dan 11.040 Watt.

In onderstaande tekening zie je mijn huidige meterkast ontwerp. Een sterk gedistribueerd systeem dat rekening houdt met de selectiviteit. Maar ook een ontwerp dat sinds de bouw van de woning in 2000, al vele malen is aangepast en uitgebreid. Je kunt het zeker geen “standaard meterkast” meer noemen en hij neemt dan ook behoorlijk veel ruimte in.

Hoe ga je om met gelijktijdigheid.

Nadat we de veiligheid hebben berekend en ontworpen, moeten we ervoor zorgen dat alle aangesloten apparatuur (verbruikers) kunnen gaan werken. In het hoofdstuk hiervoor hebben we al de maximale belasting (3680 of 11.040 Watt) berekend per groep van 16A of 3x16A. Maar je kunt op je klompen aanvoelen dat we niet te veel groepen tegelijk met zo een hoge waarde kunnen belasten. We moeten immers binnen de maximale huis-aansluitwaarde (3x25A / 17.250Watt) blijven. Om dit mogelijk te maken passen we een zogenaamde gelijktijdigheidsberekening toe.

De NEN-normering (richtlijn voor elektrisch installaties) gebruikte vroeger een factor (2-3 afgaande groepen =0,8, 4-5 afgaande groepen = 0,7 enz.). Inmiddels staat er in de NEN1010 (510.4.2) omschreven: De groep moet “geschikt zijn voor het beoogde gebruik”. Een echte formule is er dus niet.

Om met dit probleem om te kunnen gaan heb ik een lijst gemaakt met alle verbruikers per ruimte, de maximale aansluitwaarde van de verbruikers en een inschatting hoeveel tijd per uur en per dag, die verbruiker aanstaat. En vergeet de incidentele verbruikers niet (zoals een tosti-ijzer, stofzuiger, boormachine, lasapparaat e.d.). Het is heel erg lastig om te bepalen wat de gelijktijdige belasting is, je kunt hooguit een voorspelling doen. De huishoud groepen heb ik zo goed als mogelijk verdeeld over de 3 fasen, elke fase 4 groepen. En daarnaast een aparte kookgroep voor inductie koken.

De uitdaging voor onze woning zit hem in het verwarmingsdeel. In de stookruimte staan de pompen voor de vloerverwarming en wordt de warmtepomp, de doorstroomboiler en het verwarmingselement in het buffervat aangestuurd. Hiervoor is een aparte verdeler geplaatst met een kleine groepen verdeling. Maar alles zit op één 3 fase aansluiting die met een 16A automaat is beveiligd. Ook voor die aansluiting kun je een gelijktijdigheids analyse maken:

Warmtepomp 2,5 – 3 kW Afhankelijk van buitentemperatuur
Doorstroomboiler 4 – 11 kW Afhankelijk van aanvoertemperatuur
Verwarmingselement 4,5 kW Constant

Als de maximale waarde 11 kW is, kun je de Warmtepomp en het Verwarmingselement gelijktijdig aanschakelen. En dat gebeurt ook, vooral op hele koude dagen. Maar zoals je uit de tabel op kunt maken, mag de doorstroomboiler voor warmwater dan niet gelijktijdig aangeschakeld worden. Dan vliegt de zekering eruit.

Met welke scenario’s moet je rekening houden met all-electric verwarming?

Ik heb inmiddels vele jaren van meten en registreren achter de rug. De meterkast heb ik hiervoor uitgebreid met diverse meters en ook heb ik op losse individuele apparaten zoals oven, wasmachine, vaatwasser e.a. meetoplossingen losgelaten. Uit deze metingen heb ik opgemaakt dat ik mij geen zorgen hoef te maken over de individuele enkelfase gebruikers in het huishoudverbruik, zelfs niet als deze tegelijkertijd worden aangezet. Maar het is anders als je kijkt naar de zwaardere 3-fasen verbruikers. Onderstaande lijst toont het overzicht met de verschillende belastingen:

Soort Gemiddeld Piek Piek verklaring
Huishoudverbruik 360 W 7.000 Oven, koken
Verwarming 2.750 W 8.500 Kortstondig
Tuinhuis 120 W 7.500 Boiler, koken
Laadpaal 1.400 W 3.700 Enkel fase
Boot 4.500-11.000 Sporadisch
Zonnepanelen 3.000 W 17.500 Zonnige dagen

Hieruit kun je opmaken dat gemiddeld genomen we ruim binnen de aansluitwaarde van de woning blijven. Maar als je naar de piekwaarden kijkt, zeker op koude dagen in de winter, zie je dat de gevraagde energie in een optelsom al snel boven die aansluitwaarde kan uitkomen, geheel afhankelijk van de gelijktijdigheid.

Met piekvermogen is overigens wel iets bijzonders (en in ons voordeel). Elke zekering automaat heeft een veilige marge. Zo kun je een 16A automaat (B-karakteristiek) gedurende 1 uur tot 1.13x de nominale waarde belasten (max 20,8A). En 60 seconden tot wel 1.45x de nominale waarde (max. 23A). Met deze gegevens heb ik een ontwerp gemaakt dat veilig, comfortabel en robuust is en binnen de 3x25A huisaansluiting blijft.

En vlak ook het gebruik van de opgewekte zonnestroom niet uit. Mijn zonnestroom installatie kan vanaf april tot oktober overdag gemakkelijk 11kWp leveren. En die waarde mag ik in de meterkast optellen bij de huisaansluiting. Dus dat levert mij een beschikbaar vermogen op van 16x3x230 + 25×3*230 = 28.000 Watt. Het vraagt overigens wel speciale ingrepen in de meterkast. Want opgeteld is de maximale stroom 25+31=41A en dat is meer dan een 40A aardlek of hoofdschakelaar mag verwerken. En het heeft gevolgen voor kabeldikte en warmteontwikkeling.

Hoe regel je de gelijktijdigheid in de meterkast?

Ik heb mijn meterkast aangepast en uitgebreid om metingen te kunnen verrichten. Oorspronkelijk bestond mijn meterkast uit de rechter 2 delen. Ik heb er links een deel aan vast gemaakt en het hele huishoudgebeuren hierin onder gebracht. En geheel volgens de laatste NEN1010 richtlijnen. Zoals je in de afbeelding kunt zien, zijn er daarna een aantal tussenmeters geplaatst, 6 stuks in totaal. Deze corresponderen met de vorige tabel. Om dit mogelijk te maken heb ik de aardlekschakelaars en de automaten vervangen voor aardlekautomaten. Hierdoor win je ruimte en je beperkt de warmteverliezen.

De tussenmeters zijn via de S0 aansluiting verbonden met een domotica installatie (merk HomeMatic). In de domotica installatie worden de pulsen gemeten en kan er met de waarden gerekend worden. En afhankelijk van een gemeten waarde (ondergrens of bovengrens) kan de domotica installatie een gebruiker aansturen (regelen), inschakelen of juist uitschakelen. Ik doe dat op basis van voorrang en zet het gemeten gebruik af tegen de maximaal toegestane waarde.

Verbruiker Type regeling Sturing
Huishoudverbruik Ongeregeld
Tuinhuis Ongeregeld
Doorstroomverwarmer Dynamisch Relais (nood)
Verwarming Aan/Uit WP regeling en Relais
Laadpaal Dynamisch Regeling en Relais
Zonnestroom Dynamisch
Boot Aan/Uit Relais

Als eerste voorbeeld beschrijf ik de warmtevoorziening. Zoals hiervoor al duidelijk werd gemaakt zit het hele verwarmingssysteem achter een 16A 3 fase aardlekautomaat. De maximale belasting is dus 11.040 Watt (met een tijdelijke piek). Uit de voorrangslijst zie je dat de Doorstroomverwarmer altijd voorrang heeft. Deze staat dus ook altijd aan. De ervaring heeft geleerd dat als een warmwaterkraan wordt opengedraaid, de doorstroomverwarmer start op maximaal vermogen (11kW) en binnen 30 seconden zichzelf terug regelt (dynamisch) aan de hand van de ingaande watertemperatuur. Het afgenomen vermogen is in de winter circa 8kW, in de zomer veel minder tot zelfs 0. Lees hiervoor de blog hoe wij warmte opwekken. In die 30 seconden (en met behulp van de piekwaarde kan dat 60-120 seconden duren) wordt door de domotica installatie berekend of de warmtepomp en/of het verwarmingselement moeten uitschakelen. Immers: 8kW + 3kW of 8kw+3kW+4,5kW >= 11kW. Er kan dus geen gelijktijdigheid zijn tussen doorstroomverwarmer en warmtepomp/element. De domotica installatie stuurt dan een signaal naar de warmtepomp om te stoppen en schakelt via een relais het verwarmingselement uit. Zodra de situatie weer veilig is (douche beurt is klaar), wordt de warmtepomp weer ingeschakeld.

Er doen zich meer combinaties voor waarbij apparatuur wordt uitgeschakeld of wordt geregeld. Bijvoorbeeld als gelijktijdig in huis en in het tuinhuis wordt gekookt, de boiler in het tuinhuis aanstaat, de auto aan de laadpaal staat, enzovoort. Het voorrangslijstje wordt dan gebruikt om op dezelfde wijze verbruikers uit te schakelen.

Een dynamische slimme laadpaal helpt ook

Een aparte vermelding krijgt de laadpaal. Onze auto’s zijn nu nog enkelfase maar de laadpaal is wel al 3 fase voorbereid. De laadpaal geeft via een dynamische regeling (via dezelfde domotica installatie) een vermogen af wat in stapjes van 1.4kW-3.6kW verloopt. De stapjes worden bepaald door de hoeveelheid vrij beschikbare zonnestroom of door de gelijktijdigheid zoals hiervoor beschreven. Stel je de volgende situatie voor:

Huishoudverbruik 3500 Watt
Tuinhuisverbruik 1500 Watt
Warmtepomp 2500 Watt
Totaal 7500 Watt verbruik
Zonenergie 10.000 Watt
Vrij beschikbaar voor Laadpaal 2.500 Watt (gesaldeerd naar 0)

Uit dit voorbeeld zie je dat ik er in principe naar streef om te salderen naar 0. Ik laat de laadpaal dus ‘opmaken’ wat er aan zonnestroom over is. Als er geen zonnestroom over is, zoals in de nacht, zal de laadpaal automatisch op de minimale waarde van 1.400 Watt gaan draaien. Daarmee blijf ik in alle situaties nog ruim binnen de aansluitwaarde van de woning (17.250). In de toekomst met een 3 fase auto zal deze dynamische regeling echt noodzakelijk zijn. En als er toch nog zonnestroom over is, wordt dit natuurlijk gewoon terug geleverd aan het net. Op Youtube heb ik een paar filmfragmenten geplaatst met uitleg van de werking van de slimme laadpaal.

Hoe robuust en veilig is deze slimme meterkast regeling

Deze regeling heb ik met tussentijdse aanpassingen nu ruim 5 jaar in gebruik. Een zwak punt is de domotica regeling. Deze bewaakt immers het totale verbruik en corrigeert de verbruikers. Als de domotica installatie uitvalt, valt ook die bewaking weg. Gelukkig worden de warmtepomp en laadpaal dan ook niet meer aangeschakeld. Dus de kans op overbelasting door falen van het domotica systeem vervalt daarmee. Er is natuurlijk altijd een kans dat de regeling op een verkeerd moment in storing valt. Dan zal de veiligheid in de meterkast worden aangesproken voor de verwarmingsapparatuur (automaat valt af). Het is een enkele keer voorgekomen dat de hele domotica regeling vastloopt. Het is een Linux computer die is verbonden met een RS485 bus via Ethernet. In de communicatieketen kan dus wat misgaan en computers doen wel eens dingen die je niet verwacht. Het heeft echter nog nooit geleid tot overbelasting en daarmee wordt dus aan alle veiligheidsaspecten voldaan. Het vraagt wel enige kennis van een domotica systeem en dat is een zwak punt. Want als ik er niet ben en er treedt een storing op, kan niemand in huis he toplossen en dat kan leiden tot comfortverlies. In die zin zou ik op zoek kunnen gaan naar een autonome regeling, bijvoorbeeld op basis van embedded Arduino technologie. Maar dan mis ik mijn integrale alarm-, verwarmings- en energieregeling en de besturing via de iPad. Dat is mij toch ook wel wat waard.

In de schermen hieronder zie je wat schermafdrukken van de domotica software. Het eerste scherm toont de gemeten pulsen in mHz van de slimme meters, er achter de berekende waarde in Watt.

De gemeten waarden in mHz worden elke minuut omgezet naar Watt via een script:

Aan de hand van een gemeten waarde kan worden bepaald of een verbruiker moet worden afgeschakeld:

Samengevat

:

  • Met een slimme regeling kun je méér energie uit je huisaansluiting halen
  • Zelf opgewekte zonnestroom mag je optellen bij de totale hoeveelheid beschikbare energie
  • De meterkast vraagt vele aanpassingen; zorg voor ruimte, warmteontwikkeling en veiligheid
  • Kies een eenvoudige robuuste regeling.
  • En documenteer de complete installatie voor foutzoeken.
One thought on “Hoe maak je een slim micro grid van je meterkast”
  1. […] Een in Nederland nog weinig toegepaste oplossing is de doorstroomboiler. Dit is een zeer klein apparaat met een heel krachtige warmtebron. Het water wordt er koud ingebracht en komt er direct op de juiste temperatuur uit. En bij stilstand is er geen warmteverlies want er blijft geen water in het apparaat achter. In combinatie met een zonneboiler/buffervat kan zo tegen minimale verliezen, snel warmwater worden bereid tegen zeer aanvaardbare kosten. Het nadeel van de doorstroomboiler is dat deze een zware elektrische aansluiting vereist. En maar weinig woningen in Nederland hebben dat en dat verklaart dan ook waarom we de doorstroomboiler (nog) niet zo veel toegepast zien worden. Maar in ons omringende landen is de doorstroomboiler inmiddels een steeds vaker toegepast alternatief om snel en met weinig verlies, warm water te bereiden. En daar is het elektriciteitsnetwerk ook veel zwaarder uitgevoerd terwijl wij in Nederland een gas aansluiting hebben. Overigens gebruik ik in onze woning wel een doorstroomboiler, in combinatie met een zonneboiler, een warmtepomp, een houtkachel en een AD verwamringselement die allen hun warmte afstaan aan een buffervat. Voor de elektrische aansluiting heb ik een oplossing gevonden. […]

Geef een reactie

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.