Power from the people: een introductie in een wereld vol prosumers

28 oktober, 2022

De meeste elektrotechnische professionals hebben hun werkveld drastisch zien veranderen de afgelopen 10 jaar, met een extreme verandering de afgelopen maanden. Dit artikel biedt een glimp van wat de toekomst zou kunnen brengen, inclusief mogelijk de grootste verandering in de elektrotechnische industrie in decennia: prosumer installaties (in het Nederland ook wel prosument genoemd, red)

Afgezien van het coronavirus, is en zal de industrie geruime tijd in beweging zijn. Hier zijn verschillende redenen voor: de wereldwijde klimaatcrisis, Net Zero 2050-doelstellingen die in de wet zijn vastgelegd, nieuwe wetgeving op het gebied van energie-efficiëntie en niet te vergeten de snelle technologische vooruitgang.

‘Eenvoudige’ installaties zijn niet zo eenvoudig meer. Waar een typisch huis ooit voornamelijk uit lampen en stopcontacten bestond, kan het nu veel of alle van de volgende elementen bevatten: warmtekrachtkoppeling, grondwarmtepompen, luchtwarmtepompen, energiezuinige bouwstoffen, biomassaketels, slimme meters, fotovoltaïsche of thermische zonnepanelen, oplaadpunten voor elektrische voertuigen – de lijst gaat maar door.

Er is hier een rode draad – een die in het voordeel van onze branche speelt. De meeste installatie-, bedienings- en onderhoudstaken met betrekking tot de bovengenoemde technologie zijn in handen van elektrotechnische installateurs. Met de juiste vaardigheden en training zijn er toekomstige commerciële kansen in overvloed.

Wie of wat is een prosumer?

De termen ‘prosumer’ en ‘prosumer elektrische installaties’ (PEI) werden in oktober 2018 geïntroduceerd in de nieuwe internationale IEC-norm – 60364-8. In Nederland is deze norm vertaald en uitgegeven als NEN1010-8 (deel 8) op 3 augustus 2021.

Het kerndoel van de nieuwe norm is het verbeteren van de gebruikerservaring en het bevorderen van de decentralisatie van elektriciteitsopwekking.

Zoals sommigen van u dit artikel lezen, gebruikt u hoogstwaarschijnlijk elektriciteit – u bent een consument. Sommigen van u hebben misschien een zonnepaneel of windturbine geïnstalleerd, die soms energie teruglevert aan het net als de vraag van uw huishouden lager is dan de opgewekte energie. In dit geval bent u een producent en een consument – een prosumer.

De sleutel om het complexe en veranderlijke vraag/aanbod-systeem van een prosumer te laten werken, is de slimme meter. Hoewel een slecht geïmplementeerd initieel uitrolproces zijn reputatie zou hebben aangetast, is slimme metertechnologie essentieel en een blijvertje. Het is de spil van een slimmer, veiliger en stabieler netwerk dat complexere belastingen en eisen kan beheren dan ooit tevoren.

NEN1010-8

Dit extra deel van de NEN1010 is de belichaming van de Sustainable Development Goals en eigenlijk dus Europese wetgeving die via de IEC in Nederlandse normalisatie terecht is gekomen. Het is een apart uitgegeven onderdeel los van de reguliere NEN1010 omdat de verwachting is dat hij een snellere vervang cyclus krijgt dan de “normale” NEN1010, op het moment dat dit artikel wordt geschreven is er namelijk binnen het IEC al een nieuwe versie in omloop.

NEN1010 Elektrische installaties voor laagspanning – Deel 8: Functionele aspecten, bestaande uit 3 delen.

• NEN 1010-8-1: Energieaspecten – Deel 1: Energierendement (norm)
• NEN 1010-8-2: Energieaspecten – Deel 2: Prosument-installaties (norm)
• NEN 1010-8-3: Energieaspecten – Deel 3: Beheer van prosument-installaties (NPR)

Deel 1: Energierendement

Deel 8 geeft extra handvatten ten aanzien van energie rendement. Denk daarbij aan handvatten voor het bepalen van de locatie van de transformator om te voorkomen dat er grote stromen ver getransporteerd worden. Dit is overigens een boeiend statement, er zijn diverse netbeheerders die geen transformatoren meer inpandig willen plaatsen. Dit vraagt om extra afstemming in het bouwproces met de netbeheerder. Het zal niet de eerste keer zijn dat duurzaamheidsdoelstellingen praktisch onuitvoerbaar zijn door politiek gevoelige besluiten.

Ook bevat dit eerste deel ook handvatten ten aanzien van elektrische energie management systemen (EEMS in deel 8). Energie efficiëntie managementsysteem voor:

• het laagste elektriciteitsverbruik;
• het verminderen van elektrische verliezen;
• de meest gunstige prijs door real-time aanpassingen in inkoop, opslag en gebruik;
• rendementcontrole tijdens de gehele levensduur van de elektrische installatie;
• nieuwe en bestaande installaties alsmede renovaties om een hoger energierendement te realiseren.

De NEN1010-8 bevat een managementbenadering en evaluatie voor de optimale energielevering (laagste energieverbruik) met acceptabele balans tussen beschikbaarheid en kosten.

Afstamming vraag en aanbod

Een grote driver achter deel 8 is het veranderende energiesysteem. Waar het huidige systeem nog vooral vraag gestuurd is gaan we steeds meer naar een systeem wat aanbod gestuurd moet zijn. Dit door de toename van weersafhankelijke energiebronnen. Ook zorgt de toenemende elektrificering ervoor dat vraag en aanbod beter met elkaar in harmonie moeten zijn om zoveel mogelijk te voorkomen dat ons net overbelast. De norm geeft geen lijst met oplossingen waaruit je kan kiezen maar oplossingsrichtingen die gebruikt kunnen worden in het engineeringsproces van een gebouw.

In hoofdlijnen heeft een gebouw 3 energiebronnen, het openbare net, eigen opwek en eigen in te zetten opslag. Deze 3 dienen in harmonie te zijn met gebruikers. In hoofdlijnen zijn deze gebruikers op te delen in 3 groepen, normale belastingen, kritische belastingen (zoals het koffiezetapparaat) en niet kritische belastingen. De harmonie tussen vraag en aanbod wordt, zoals beschreven in de norm, bewaakt door het Elektrische EnergieManagement Systeem (EEMS). De beslissingen over de te gebruiken bron of het al dan niet afschakelen van een gebruiker wordt gedaan doormiddel van interne en externe data die een rol spelen in het pand. Denk hierbij aan waarden die de gebruiker instelt, zoals het kritisch maken van het koffiezet apparaat en het niet kritisch maken van andere gebruikers. Andere (externe) variabelen zijn: weersverwachting, real-time energieprijs en beschikbaarheid, gegevens van belastingen. Dit alles is schematisch weergegeven in onderstaande afbeelding.

Figuur 1: copyright Pouw Jongbloed

Zones, vermazen en vraagsturing

Deel 8 vraagt ook om andere energieverdeel concepten, het ouderwetse ster-systeem heeft zijn beste tijd wel gehad, de energietransitie vraagt om slimmere installaties, al dan niet afgedwongen in de NEN1010-8. Installaties zullen worden opgedeeld in zones en zullen worden vermaasd

Een zone vertegenwoordigt een gebied of een plek waar de elektriciteit wordt verbruikt. Een zone kan bijvoorbeeld overeenkomen met een:

• industriële werkplaats;
• verdieping in een gebouw;
• plek vlakbij ramen of een plek van ramen zijn verwijderd;
• vertrek in een woning;
• een particulier zwembad;
• hotelkeuken.

Ontwerpers, elektriciens of de eigenaar van het gebouw moeten met elkaar afspreken welke zones er binnen het gebouw zijn

Om een nauwkeurige meting en analyse van het energieverbruik, belastingprofiel en andere elektrische parameters mogelijk te maken, is het nodig om van een bepaalde stroomketen of zone de toepassing te bepalen. Toepassingen zijn onder andere:

• verlichting;
• warm-waterproductie;
• HVAC (koeling en verwarming);
• aandrijving (motoren);
• overige elektrische toestellen.

Een praktische case: een zonnepanelen installatie kan prima op een verdeler worden aangesloten waarvandaan ook (een deel van) de HVAC installatie wordt gevoed. Het opwekprofiel van de panelen zal overeenkomen met het verbruiksprofiel van de HVAC installatie. Ook hoeft niet de hele PV installatie op dezelfde verdeler, de norm zegt immers: verplaats vermogen over zo kort mogelijk afstanden.

Als een object verschillende energiebronnen heeft die ook op verschillende plekken het object binnenkomen dien je de installatie te vermazen. Mazen moeten zo worden gekozen en bestuurd dat altijd aan de vraag van elektrische energie wordt voldaan. Hierbij wordt rekening gehouden met:

• beschikbaarheid van daglicht;
• buitentemperatuur;
• bezetting van een vertrek;
• beschikbaarheid en de prijs van energie;
• traagheid van energie (tijdelijke uitschakelbaarheid) en
• overige aspecten gekoppeld aan de gebouwconstructie en passief energierendement.

Schakel- en verdeelinrichtingen moeten de mogelijkheid bieden om elke zone of elke maas afzonderlijk te voeden.

Vraagsturing is het managen van de elektriciteitsvraag aan de energieopwekking, met name voor hernieuwbare energie (bijvoorbeeld windenergie, zonne-energie), en om de installatie stabiel in bedrijf te kunnen houden. Vraagsturingsprogramma’s kunnen fluctuerende tarieven, prijsgestuurde aanbiedingen, contractueel verplichte of vrijwillige vraagbeperking, en belastingafschakeling omvatten.

Vraagsturingsmethoden zijn:

• tijdgestuurde tarieven (bijvoorbeeld kritische piekbeprijzing, variabele piekbeprijzing);
• beperking van de energielevering van het net en eigen opwek of opslag;
• real-time belastingprofielen.

Deel 2: Prosument-installaties, meer “power to you”

In wat een ‘instapmodel’ smart home kan worden genoemd, zal er doorgaans een slimme meter, een consumer access device (denk aan de eneco Toon, of google Nest) en een in-home display (IHD) zijn, samen met een middel voor energieopwekking, zoals een zonnepaneel.

Meer geavanceerde smart connected gebouwen zijn duidelijk complexere gebouwen en zullen beschikken over duurdere, duurdere installaties. Het kan daarbij gaan om Internet of Things (IoT)-netwerken, kunstmatige intelligentie en databeheer voor slimme apparaten. Deze gebouwen hebben ook meer kans om oplaadpunten voor elektrische voertuigen te hebben, EV’s zullen een steeds belangrijkere rol spelen in de prosumenteneconomie naarmate de markt groeit.

Het succes van deze slimme woningen, en de capaciteit van het net om er meer te huisvesten, hangt grotendeels af van elektrificatie, die opnieuw in handen is van elektrotechnische installateurs.

Deel 8-2 omschrijft aanvullende eisen, maatregelen en aanbevelingen voor ontwerp, bouw en verificatie van laagspanningsinstallaties van lokale productie en opslag van energie, met de nadruk om te kunnen samen werken met bestaande systemen zoals het openbare net; het juiste gedrag en handelen (interactie) van deze prosumer elektrische installaties (PEI’s) wanneer ze in slimme netten worden geïntegreerd;nieuwe installaties en voor aanpassing van bestaande installaties.

Omdat de productie van energie uit hernieuwbare bronnen zoals PV-installaties of windmolens niet constant zijn, wordt er voorgesteld om opslagcapaciteit binnen een PEI te installeren om een acceptabele beschikbaarheid in eiland- of gescheiden bedrijf te verkrijgen; of het zelfverbruik in netgekoppeld bedrijf te maximaliseren door stroom onder de meest gunstige condities op te nemen of juist te leveren. De NEN 1010 veiligheidseisen mogen niet worden aangetast door dit aanvullende document. Zowel bij netvoeding als lokale voeding moeten de beschermingsmaatregelen in bedrijf blijven of automatisch vervangen worden door andere gelijkwaardige. Het is essentieel voor het slimme net dat de installatie zolang mogelijk betrouwbaar en beschikbaar blijft. Tegelijkertijd dienen de parameters voor power quality te worden gemaximaliseerd door gebruik te maken van passende beschermingsmaatregelen en andere goede installatiepraktijken. In eilandbedrijf moeten stabiliteit, beschikbaarheid en kwaliteit gelijkwaardig zijn als in netgekoppeld bedrijf.

Figuur 2: PEI volgens NEN1010-2 copyright Pouw Jongbloed

V2G – het gouden ei?

De meest voorkomende prosumer – die het grootste deel van de prosumentenmarkt vormt – zal waarschijnlijk ergens tussen de twee hierboven beschreven scenario’s worden gevonden.

Deze prosumenten zullen afhankelijk zijn van regelbare gebruikers en eigen batterijopslag om hun input aan en van het net te regelen, en de meeste van deze batterijen zullen in hun EV’s zitten. Met andere woorden, hoewel grote thuisbatterijen zoals die van Tesla, LG, Sonnen en anderen misschien onbereikbaar zijn voor de gemiddelde prosumer, zal een EV dat niet zijn, en de vraag naar installaties van V2G-eenheden zou snel omhoog kunnen schieten.

Dit is de reden waarom V2G – voertuig naar net – technologie de komende jaren een cruciale rol zal spelen. Het zal helpen om de vraagcurve in de loop van een dag af te vlakken, waardoor de pieken in de vraag die gewoonlijk ’s ochtends en’ s avonds worden waargenomen, worden afgevlakt (zie onderstaande grafiek). Dit zal de druk op het net op piekmomenten verminderen en helpen om de stroom efficiënter te beheren.

Soorten prosumer-installaties

Er zijn drie soorten PEI (producerende elektrische installatie) gedefinieerd

• Individueel
  • Zoals beschreven in het ‘instapmodel’ smart home hierboven, wordt dit type installatie gekenmerkt door slechts één installatie die energie kan verbruiken en produceren, met een beheersysteem voor de werking ervan.
• Collectief met individuele opwekking en opslag
  • Groepen prosumenten (particuliere huizen, flats of winkels) die samenwerken en middelen coördineren om gemeenschappelijke stroomvoorzieningen op te zetten
  • Verschillende voedingen kunnen alle prosumenten van stroom voorzien via het PEI-distributiesysteem of via het distributienetwerk
• Collectief met gemeenschappelijke opwekking en opslag
  • Bevat een set opwekkings- en opslagapparaten die los staan ​​van de afzonderlijke eigendommen, maar ze gewoonlijk allemaal leveren

Dan zijn er drie verschillende modi beschreven

• Directe voedingsmodus
  • De PEI wordt geleverd vanuit het net
  • Lokale energieopslagsystemen kunnen stroom leveren aan de belastingen van gebouwen of worden opgeladen door het net/lokale energieopwekking
• Omgekeerde invoermodus
  • Het net wordt geleverd door de PEI – zoals bijvoorbeeld bij zon-PV
  • Lokale opslagsystemen kunnen stroom leveren aan de belastingen van gebouwen of worden opgeladen door het net/lokale energieopwekking
• Eilandmodus
  • Hier is de prosumer losgekoppeld van het net en gebruikt hij alleen zijn eigen voeding van zijn eigen generator of opslagapparaat
  • Dit kan automatisch worden geactiveerd, of door opzettelijke actie

Overstroom, kortsluitstroom, selectiviteit, aarding

Opslageenheden of lokale voedingsbronnen kunnen stroomverbruikend materieel voeden of kunnen worden geladen door lokale voedingsbronnen of openbare net. Het laden kan echter beperkt zijn in eilandbedrijf. Het omschakelen van direct voedingsbedrijf naar eilandbedrijf en omgekeerd kan worden gerealiseerd door een keuzeschakelaar. Dit kan rechtstreeks (handmatig of op afstand) of automatisch plaatsvinden. Van de ene bedrijfsmodus op een andere omschakelen mag alleen mogelijk zijn, als de generatoren en/of omzetters zijn gesynchroniseerd met het net. Zomaar enkele aandachtspunten die komen kijken bij het succesvol implementeren van een PEI. Een belangrijk aandachtspunt voor installaties die zowel netverbonden als in eilandbedrijf kunnen opereren is de verdeler. De eerste vraag is al: wie verzorgt de aarding? Bij eilandbedrijf is het bijzonder lastig als de aarding aangeboden wordt door een netbeheerder, afhankelijk van welke PEI modus er is gekozen. Is de woning individueel in eilandmodus gezet of is het lokale microgrid in eilandmodus gezet?

Een ander op te lossen probleem is het gebrek aan kortsluitvermogen in eiland bedrijf. Dit betekend dat bij een kortsluiting de verdeler redelijk nutteloos is en de omvormer van het oplsagsysteem zal uitschakelen. Het net kan tamelijk onbeperkt kortsluitvermogen leveren, een accu omvormer is afhankelijk van zijn eigen dimensionering hiervoor.

Wat te denken van overstromen, normaal is een verdeler redelijk unidirectioneel gedimensioneerd, bij een succesvolle implementatie van deel 8 is het maar de vraag van welke kant de stroom komt en waar het heen gaat. Bi-directionaliteit binnen verdeelsystemen is een niet te onderschatten fenomeen waar tijdens de engineering veel meer aandacht aan gegeven dient te worden

Nabrander, DC en deel 8.

Met de opkomst van pv-panelen en het groeiende aantal huishoudelijke apparaten die op gelijkstroom werken, worden laagspannings-DC-netwerken steeds interessanter. Hoe krijg je de eisen voor de (actieve) DC-netwerken op een goede manier in de norm? Ook hier worden, niet alleen in Nederland maar ook internationaal, momenteel stevige discussies over gevoerd. Echter als je deel 8 nu goed leest is hij niet uitgewerkt voor DC installaties. Toch is er goed nieuws, het moederdocument, de 60364-8 waarover ik al eerder schreef, heeft DC opgenomen in hoofdstuk 2 (deel 8-2, red). Dit betekend dus dat we in de volgende versie van de NEN1010-8 naast de NPR 9090 ook een NORM hebben die ons helpt in de implementatie van actieve DC installaties.

En nu?

Zomaar wat highlights van wat deel 8 ons te bieden heeft. De eerste stap voor bedrijven die zichzelf willen ontwikkelen en zich willen specialiseren in deel 8, is ervoor te zorgen dat ze vertrouwd raken met de aangeboden technologie en mogelijke normen die er zijn. Dit kan worden gedaan door zelf op onderzoek te gaan naar ontwikkelde technologieën. Er zullen trainingen aangeboden worden door de NEN zelf over de Nederlandse versie van de prosumer norm, de NEN1010-8. Ook komen er diverse trainingen vanuit fabrikanten voor specifieke technologieën.

Early adopters van PEI en aanverwante technologieën zoals laadvoorzieningen, hernieuwbare energie en energieopslagsystemen zullen de vruchten plukken van dit nog onderbezette, ondergeschoolde maar snelgroeiende deel van de elektrotechnische industrie.

De rol van de elektricien verandert, maar de toekomst zal rooskleuriger zijn dan ooit voor degenen die zich aanpassen.