Gelijkheid en gelijktijdigheid in elektriciteitsnetten met warmtepompen

Inleiding

De opkomst van warmtepompsystemen in de woningbouw heeft zowel technische voordelen als uitdagingen met zich meegebracht. In tegenstelling tot traditionele verwarmingsketels, verbruiken warmtepompen een aanzienlijke hoeveelheid elektrische energie, vooral in de wintermaanden of bij extreme weersomstandigheden. Dit heeft gevolgen voor het elektriciteitsnet en vraagt om een grondige evaluatie van de gelijktijdigheid van het elektriciteitsverbruik en de impact daarvan op het netwerk.

Deze artikel legt de gelijktijdigheidsfactor van warmtepompen uit, waarbij het gedrag van deze systemen in relatie gebracht wordt tot het elektriciteitsnet en de nodige maatregelen voor het netontwerp. De nadruk ligt op hoe gelijktijdige belastingen in woningen met warmtepompen het netwerk beïnvloeden, de rol van de bijverwarming, en de praktische oplossingen voor eventuele overbelasting.

Gelijkheid in elektriciteitsverbruik

Gelijkheid versus ongelijktijdigheid

Traditioneel wordt bij het ontwerpen van elektriciteitsnetten rekening gehouden met de ongelijktijdigheid van het elektriciteitsverbruik. Dit houdt in dat niet alle huishoudens tegelijkertijd hun maximumvermogen gebruiken. Daardoor kan het netwerk ontworpen worden op basis van een gedeelte van de individuele maximale belastingen.

Echter, met de opkomst van warmtepompen en elektrische auto's, verandert deze aanname. Deze systemen tonen vaak een hoge mate van gelijktijdigheid, vooral in winterperiodes of bij netstoringen. Bijvoorbeeld, wanneer de buitentemperatuur zeer laag is, starten alle warmtepompen gelijktijdig hun bijverwarming. Dit veroorzaakt een plotselinge toename in de elektriciteitsvraag, die het netwerk zwaar belast.

Gelijktijdigheidsfactor

De gelijktijdigheidsfactor is een maat voor de mate waarin de elektriciteitsvraag van meerdere huishoudens gelijktijdig stijgt. Voor de meeste toepassingen ligt deze factor rond de 0,2. Dat betekent dat in een woonwijk met 100 woningen slechts 20 woningen tegelijkertijd hun maximumvermogen gebruiken. Dit is een fundamentele aanname bij het ontwerpen van elektriciteitsnetten.

Echter, bij warmtepompen en bijverwarming is de gelijktijdigheidsfactor vaak 1, wat betekent dat alle systemen tegelijkertijd het maximumvermogen gebruiken. Dit heeft directe gevolgen voor de benodigde netcapaciteit.

Impact op het elektriciteitsnet

Grote belasting door gelijktijdigheid

Een warmtepomp verbruikt gemiddeld 3 kW aan elektriciteit. Daarnaast is er vaak een bijverwarming van 6 kW, die aangesprongen wordt bij lage buitentemperaturen of bij elektriciteitsstoringen. Als een woning driefasig is aangesloten, levert dit een extra belasting van:

• 9000 kVA / 3 / 235 V = 12,8 A per fase.
• Bij 10 woningen: 12,8 A × 10 = 128 A per streng.

Deze stroom wordt opgeteld bij de standaardbelasting van 10 vrijstaande woningen, die maximaal 24 A is. Dit resulteert in een totale belasting van 152 A, waarbij de warmtepomp de dominante factor is.

Consequenties voor het laagspanningsnet

Figuur 3.22 toont een gedeelte van een laagspanningsnet met vier secties met elk 10 woningen. In het geval zonder warmtepompen kan de kabeldoorsnede van de hoofdkabel verkleind worden van 95 mm² naar 50 mm². Echter, bij gebruik van warmtepompen zijn in de eerste twee secties kabels met 150 mm² nodig, en is de eerste sectie overbelast.

In het geval dat ook de bijverwarming ingeschakeld is, is het netwerk met 150 mm² aluminium kabels zwaar overbelast. De spanning aan het einde van de streng wordt dan te laag, wat problemen kan veroorzaken voor de elektriciteitsvoorziening.

Oplossingen voor overbelasting

Om dit probleem aan te kaarten, zijn meerdere oplossingen mogelijk:

1. Minder aansluitingen per streng: Door het aantal woningen per streng te verminderen, kan de belasting per streng worden beheerst.
2. Parallelle kabels gebruiken: Hierbij wordt het vermogen verspreid over meerdere kabels, wat de belasting per kabel vermindert.
3. Grotere kabeldoorsneden toepassen: In sommige gevallen is het noodzakelijk om kabels met een grotere doorsnede te gebruiken, zoals 150 mm² aluminium geleiders.

Toekomstige trends in netontwerp

Trend naar zwaardere netten

Om rekening te houden met de toekomstige onzekerheden rondom elektriciteitsverbruik, wordt er een trend waargenomen naar het ontwerpen van zwaardere elektriciteitsnetten. Dit betekent dat de netontwerper zich steeds meer indekt tegen eventuele toekomstige belastingen.

Voorbeelden van deze trend zijn:

• Maximale kabeldoorsneden: Het gebruik van kabels met een doorsnede van 150 mm² aluminium.
• Grotere distributietransformatoren: Het toepassen van transformatoren met een vermogen van 630 kVA.
• Ruimte voor uitbreiding: Het claimen van extra ruimte in het netwerk om toekomstige uitbreidingen mogelijk te maken.

Deze aanpak helpt om mogelijke overbelastingen te voorkomen, maar leidt ook tot hogere investeringskosten. Het is een afweging tussen kosten en betrouwbaarheid.

Rol van de bijverwarming

Aanvullende belasting

De bijverwarming van warmtepompsystemen speelt een belangrijke rol bij het elektriciteitsverbruik. Deze bijverwarming wordt aangesproken bij lage buitentemperaturen of bij elektriciteitsstoringen. Aangezien deze situaties voor alle woningen tegelijkertijd optreden, leidt het tot een grote gelijktijdige belasting.

In projecten met warmtepompen is het dus belangrijk om rekening te houden met de bijverwarming. Dit betekent dat het netwerk moet zijn uitgelegd om zowel de normale belasting als de extra belasting bij aansprong van de bijverwarming te kunnen dragen.

Impact op de netberekening

In de berekening van de laagspanningskabels is rekening gehouden met een vermogen van 3 kW per warmtepomp en 6 kW per bijverwarming. Dit resulteert in een aanzienlijke toename van de totale belasting, die direct overbelasting kan veroorzaken.

Bijvoorbeeld, in een woonwijk met 10 woningen is de extra belasting door warmtepompen en bijverwarming zo groot dat de invloed van de rest van het verbruik (24 A) volledig verwaarloosbaar is. Dit benadrukt hoe belangrijk het is om het gedrag van warmtepompen en bijverwarming in de netberekening op te nemen.

Gelijkheid in PV-systemen

Gelijkheid in zonnepanelen

Niet alleen warmtepompen, ook PV-systemen (zonnepanelen) tonen een hoge mate van gelijktijdigheid in hun elektriciteitsopbrengst. Dit komt vooral tot uiting bij bewolking, waarbij alle PV-systemen in een gebied gelijktijdig hun opbrengst verminderen.

In dit geval kan een gelijktijdigheidsfactor van 1 worden gebruikt voor het plannen van het laagspanningsnet. Echter, op de schaal van een midden- of hoogspanningsnet is de gelijktijdigheid lager, omdat het verzorgingsgebied groter is.

Veiligheidseisen bij PV-systemen

PV-systemen zijn altijd aangesloten via een omvormer, die zorgt voor de conversie van gelijkstroom naar wisselstroom. Bij een elektriciteitsstoring stopt de omvormer met de productie, wat een veiligheidseis is.

Deze eis heeft gevolgen voor het gedrag van het netwerk. Bijvoorbeeld, bij een storing stopt niet alleen de productie van de PV-systemen, maar ook het verbruik van elektrische apparaten. Dit leidt tot een plotselinge verandering in de netbelasting, die niet altijd voorzien is in het ontwerp.

Toekomstige uitdagingen

Onzekerheden in de laagspanningsnetten

De meeste onzekerheden rondom elektriciteitsverbruik zijn te vinden in de laagspanningsnetten. Dit komt door de toegang tot het netwerk van grote elektriciteitsverbruikers, zoals warmtepompen, elektrische auto’s en zonnepanelen.

Voor deze reden wordt bij nieuwbouw van elektriciteitsnetten steeds meer ontworpen op basis van de som van de individuele maximale belastingen. Dit betekent dat het netwerk berekend wordt op het vermoeden dat alle huishoudens tegelijkertijd hun maximumvermogen gebruiken.

Hoewel deze aanpak het netwerk robuuster maakt, heeft het ook het nadeel van hogere kosten. Het is een afweging tussen kosten en betrouwbaarheid die vaak moeilijk te maken is.

Praktische toepassing in de woningbouw

Huidige toepassing van warmtepompen

In het huidige nieuwbouwsegment worden 6% van de woningen uitgerust met een warmtepomp. Dit komt neer op ongeveer 3500 warmtepompen per jaar. Vooralsnog zijn dit voornamelijk elektrische warmtepompen, die werken op het principe van een koelkast of airconditioner.

Deze systemen kunnen in beide richtingen werken: verwarmen in de winter en koelen in de zomer. In combinatie met grondwater als medium, kan warmte in de zomer worden opgeslagen in de bodem en in de winter weer worden gebruikt voor verwarming.

Energiezuinigheid versus elektriciteitsverbruik

Hoewel warmtepompen energiezuiniger zijn dan traditionele verwarmingsketels, verbruiken ze toch een aanzienlijke hoeveelheid elektriciteit. Het elektrische vermogen varieert tussen 2 en 5 kW per warmtepomp. Daarnaast is er vaak een bijverwarming van 6 kW, die in kan komen bij lage buitentemperatuur of bij netstoringen.

Deze combinatie van vermogens leidt tot een aanzienlijke elektriciteitsvraag, die het netwerk zwaar belast. Dit vraagt om een grondige evaluatie van de gelijktijdigheid en de impact op het netwerk.

Conclusie

De opkomst van warmtepompen in de woningbouw heeft geleid tot een verandering in het gedrag van het elektriciteitsverbruik. In tegenstelling tot traditionele verwarmingsketels, tonen warmtepompen een hoge mate van gelijktijdigheid, vooral bij extreme weersomstandigheden of netstoringen. Dit heeft directe gevolgen voor het elektriciteitsnet en vraagt om een herziening van de netberekening.

Bij het ontwerpen van elektriciteitsnetten is het dus belangrijk om rekening te houden met de gelijktijdigheid van het elektriciteitsverbruik, vooral bij grootschalige toepassing van warmtepompen. Dit betekent dat het netwerk robuuster moet worden ontworpen, met grotere kabeldoorsneden, grotere distributietransformatoren en extra ruimte voor uitbreiding.

Bij de toepassing van warmtepompen is ook de rol van de bijverwarming belangrijk. Deze bijverwarming kan een aanzienlijke extra belasting veroorzaken, die direct invloed heeft op de totale netbelasting. Daarom is het essentieel om deze factor in de netberekening op te nemen.

Tot slot moet worden opgemerkt dat ook andere systemen, zoals PV-systemen, een hoge mate van gelijktijdigheid vertonen. Dit vraagt om een grondige evaluatie van het netwerk en de impact van deze systemen op het elektriciteitsverbruik.

Bronnen

1. Phase to Phase - Energie-efficiëntie en elektriciteitsnetten