Laadpaal

Hoe profiteren we maximaal van de zonnepanelen?

Het vermogen van een laadpaal wordt beperkt tot het vermogen dat de energieleverancier levert. Een simpele opmerking lijkt het. Maar als je zelf zonnepanelen hebt, ben je zelf ook een energieleverancier. Je zou dan kunnen denken dat de laadpaal de som van beide vermogens zou kunnen leveren. Technisch gezien zou het wel kunnen maar wordt voor zover bekend zelden gedaan. Dit heeft te maken met de veiligheid van de elektrische installatie.

We hebben zonnepanelen met een vermogen van 6600 Wp. Dit is een nominaal vermogen dat geldt bij een standaard zonnebron (als referentie) voor laboratorium toepassingen. Het kan zo zijn dat er tijdelijk iets meer vermogen vanaf komt bijvoorbeeld bij koud weer, wind en een heldere lucht met enkele, optisch scherpe, stapelwolken. Het zonnepaneel wordt in dat geval direct beschenen door de zon maar ook door gereflecteerd zonlicht op een mooie witte wolk. Dus kan je kortdurend boven de nominale waarde uitkomen.

Om de opgewekte elektriciteit zo netjes mogelijk terug te leveren aan het net, gebruik ik een 3-fasen omvormer en dan is het maximaal ongeveer 6600W/ 3fasen/ 230V = afgerond 10 A per fase teruglevering.

Je kunt bij de energieleverancier kiezen om 1-fase 35 A af te nemen of, voor hetzelfde capaciteitstarief, ook genoemd netbeheerkosten, 3-fase 25 A. Tegenwoordig is 3-fase 25 A een verstandige keus. Per saldo kan je meer vermogen afnemen, namelijk 17 kW in plaats van 8 kW. De kosten zijn verschillend per netbeheerder, maar liggen in de orde grootte van € 250 per jaar. Ga je naar een groter vermogen, dan wordt de prijs bij bijvoorbeeld 3 x 35 A ruim een factor 3 hoger.

Nu wil ik graag een elektrische auto thuis kunnen opladen. In mijn geval betreft het een Nissan Leaf met een accupakket van 62 kWh. In de auto zit een 1-fase lader met een vermogen van maximaal 6,6 kW. Helaas kan je dat dan niet laden uit een 3-fase systeem van 3 x 25 A, omdat vanuit 1 fase maximaal 230 x 25 = 5,7 kW te leveren is. Standaard (volgens de normen) is elke fase onderverdeeld in meerdere groepen en selectief gezekerd met groepen van 16 A. Hierdoor wordt het vermogen per groep beperkt tot 3,7 kW. Het gevolg is dat als de accu helemaal leeg zou zijn, het 62 kWh/ 3,7 kW = 16,7 uur duurt voordat de accu weer helemaal vol is. Ondanks dat dit rekenvoorbeeld de meest extreme situatie beschrijft, welke in de praktijk eigenlijk nooit voorkomt, is het duidelijk dat de laadduur erg lang is.

Zowel als gevolg van een heel lange laadduur, als bij de situatie dat je op een willekeurig moment de auto gaat opladen, gebruik je slechts een klein deel van je zelf opgewekte zonne-energie. Zolang de huidige salderingsregeling van toepassing is heeft dit financieel gezien geen negatieve invloed. Immers de van het net gebruikte energie wordt verrekend met de op een ander moment aan het net geleverde energie.

Technisch gezien kan een hoog laadvermogen wel een probleem zijn indien meerdere grootverbruikers, als wasmachine, wasdroger, afwasmachine of elektrische boiler, gelijktijdig energie willen afnemen. Er is dan een grote kans dat meer dan de maximale stroom behorende bij het energieabonnement gevraagd wordt en de zekering de levering van stroom afschakelt, het is immers een beveiliging.

De salderingsregeling houdt binnenkort op te bestaan en wordt vervangen door een terugleververgoeding die zeker lager is dan wat je voor de elektriciteit betaalt. Het is nu nog niet duidelijk hoog die terugleververgoeding zal zijn.

Nu heb ik voor de aardigheid eens gekeken hoe de verhouding is van geleverde versus verbruikte energie. Dan is het van belang om te weten dat wij al erg letten op het moment dat we apparaten aan zetten, bijvoorbeeld de wasmachine en wasdroger.

Uit de slimme meter over een periode van 18/11/2014 – 5/4/2019 (4,5 jaar):

                                              Verbruik                             Teruglevering                   Saldo

Daltarief                              6985 kWh                           3341 kWh                           3644 kWh

Normaal tarief                  6694 kWh                           7989 kWh                           -1295 kWh

                                                                                                                                               2357 kWh

Een paar kleine opmerkingen zijn hier op z’n plaats: Vanwege een verbouwing in 2018 hebben we een aantal zonnepanelen tijdelijk verwijderd en later met een groter aantal uitgebreid. Ook is de warmtepomp geplaatst. De warmtepomp staat verhoudingsgewijs ‘s nachts lang aan en dat verklaart het relatief hoge saldo tijdens het daltarief.

De vraag is vervolgens of we het laden van de autoaccu met zelf opgewekte energie kunnen optimaliseren door te spelen met het moment van het laden.

Welnu, dat is mogelijk. Als we kunnen meten of er door de zonnepanelen meer geleverd wordt dan elders verbruikt, dan zouden we de auto kunnen laden. Het is duidelijk dat tijdens de zomer het vaak voorkomt dat de zonnepanelen meer leveren dan de vraag in huis, maar ook in de winter komt deze situatie wel degelijk voor. In september 2018 ben ik overgestapt van energieleverancier Nuon naar Greenchoice en sindsdien krijg ik een maandelijks overzicht van het verbruik. Zie in de tabel de ook gegevens voor de periode dat de warmtepomp actief is:

Er is duidelijk te zien dat er in de maanden oktober 2018 tot en met maart 2019 een teruglevering is van 815 kWh. In de periode april tot en met september zal dat aanmerkelijk meer zijn. Dat moeten we nog even afwachten, omdat de situatie is gewijzigd (o.a. vanwege het grotere aantal zonnepanelen). Kortom, we kunnen ook in de winter van onze zonnepanelen een beetje profiteren.

Maar hoe kan je dat doen? Als er een teruglevering is, dan kunnen we dit bekijken door de stroom door de 3 afzonderlijke fasen te meten. De som van die stromen is maatgevend. Eigenlijk zijn de vermogens maatgevend, maar aangezien vermogen het product is van de stroom en de spanning, en de spanning per fase praktisch gelijk is, is de som van de stroom van de 3 fasen een goede referentie. In dit voorbeeld negeer ik de invloed van de faseverschuiving (cosinus phi, cos φ) tussen de 3 spanningen en stromen, in werkelijkheid rekenen we dit wél mee.

Current transformer

De stroom kan je meten met een Current Transformer (CT). De CT is in feite een wikkeling om een fasedraad waarbij via een ferrietkern en een aantal wikkelingen secundair een spanning ontstaat die evenredig is met de primaire stroom. Deze spanning is dan een maat voor het verbruik of de teruglevering per fase. Zodra er teruglevering is, kan je die op een slimme manier gebruiken voor het laden van het accupakket van de auto.

Nu is het niet zo dat als er een teruglevering is, dit ook over alle fasen gelijk is. Het kan best zo zijn dat er grote verbruikers zijn (wasmachine, droger, afwasmachine, warmtepomp) die de fasen ongelijk belasten. De kunst is dan om sowieso de grootverbruikers niet op dezelfde fase te plaatsen als de autolader. Dat moet een beetje met beleid gebeuren. Maar ook de resterende verbruikers in huis kunnen met elkaar een flinke portie stroom verbruiken (Föhn, kookplaat, strijkbout, televisie enz.) In dat geval kan een fase toch nog overbelast worden. Hiertoe is een zogenaamde loadbalancer bedacht. Dit apparaat meet de stroom door één bepaalde fase waarop de lader is aangesloten en zorgt ervoor dat de totale stroom niet boven een ingestelde waarde uit kan komen, bijvoorbeeld de 25 A waarop de installatie is afgezekerd. In dat geval kan het accupakket in het gunstigste geval met 25 A x 230V = 5,7 kW geladen worden. Zouden we geen loadbalancer hebben en slechts met één fase laden dan moet het beperkt worden tot maximaal 16 A en dus 3,7 kW. Bovendien is er dan nog het risico dat er met de andere verbruikers samen toch de 25 A overschreden wordt.

Maar vóórdat we het allemaal gaan instellen moeten we wel even beseffen wat er nu eigenlijk over is in vermogen en in energie.

Eerst kijken we naar de energie die geleverd is door de zonnepanelen op zo ongeveer de meest gunstige dag door mij gemeten. (30 juni 2018) We zien een maximum vermogen van 5,3 kW en een geleverde energie van 40,4 kWh over de gehele dag. De grafiek laat een gemiddelde zien van elk kwartier. Zoals kort hiervoor beschreven, met name bij helder weer met een klein aantal optisch scherpe stapelwolken, kunnen er uitschieters zijn tot meer dan 6 kW.

Als we kijken wat er per uur over is op dezelfde dag (30 juni 2018)

Je zou denken dat er een vermogen van 4,7 kW over is met een overschot aan energie van ongeveer 25 kWh. Dat is mogelijk niet helemaal juist. Elk uur in bovenstaande grafiek is het gemiddelde van dat uur. In werkelijkheid kan het vermogen groter zijn dan de 4,7 kW en denk dan aan ruim 5 kW maar het kan ook minder zijn. Willen we dus maximaal gebruik maken van de zonne-energie dan heeft het sowieso geen zin om meer te laden dan ca. 5 kW.

Een nog mooier overzicht krijg je van de energiemeter van Solaredge op de volgende pagina.

Hierin is het verbruik en de productie tegelijkertijd te zien. In het rood is het vermogen te zien als er geen productie tegenover staat. Het groene deel is bruikbaar voor het laden van de auto.

Klinkt goed maar hoe krijg je dit voor elkaar? Welnu, min of meer bij toeval kwam ik een lader tegen die dit allemaal al in zich heeft. De zogenaamde Zappi. Niet dat ik er reclame voor wil maken maar voor zover ik gezien heb, is dit de enige die het allemaal in zich heeft en ook nog voor een heel schappelijke prijs. Er zijn ook nog verschillende varianten één of drie fase, met of zonder een vast snoer.

Nu gaan we kijken hoe het uitgevoerd wordt:

Dit heb ik een beetje uitgezocht en bestaat het systeem idealiter uit 3 losse apparaatjes: de Harvi, de Zappi en de Hub.

We beginnen met de Harvi. Met dit apparaatje meten/weten we of de totale installatie als geheel, levert of verbruikt. Het is een klein kastje bij de meterkast met wat bedrading naar de eigenlijke groepenkast voor de CT’s. Deze heeft 3 gelijke, onafhankelijke CT’s op de 3 fasen. Hierdoor weet de Harvi welke fase levert of verbruikt. Doordat de Harvi 3 CT’s heeft, krijgt deze ook een spanning en stroom en dus vermogen binnen. Eigenlijk wordt hij dus gevoed met het “lekveld” van de fasedraden. Dat is heel handig, je hebt geen extra voedingsspanning of batterijen nodig. Het uitgangssignaal wordt draadloos doorgestuurd naar de Zappi. Het doorsturen van de data gebeurt met een snelheid van 1 keer per seconde als de stroom 1A is of meer (30s bij > 0,2 A en < 0,5 A en 10 s bij 0,5 – 1 A). Vaak genoeg dus. Bij < 0,2 A is er geen verbinding maar dat is dan ook niet nodig (er komt dan niet voldoende energie binnen om de data te kunnen verzenden).

Het tweede apparaat is de Zappi. De Zappi heeft een eigen CT op de door de lader gebruikte fase. De Zappi zorgt zelf voor de loadbalancing. Zodra Zappi merkt dat er te veel stroom wordt verbruikt, wordt er via een pin (control pilot pin) op de connector van/naar de auto een signaal gegeven om minder snel te laden (en omgekeerd ook natuurlijk).

Via software in de Zappi, kan een keus gemaakt worden in welke mode deze moet werken.

  • Eco mode. Het oplaadvermogen wordt constant aangepast aan de het totale verbruik en of levering van elektriciteit. Dit gaat door totdat de auto helemaal opgeladen is. Ook als er stroom uit het net gehaald moet worden.
  • Eco+ mode. Het oplaadvermogen wordt constant aangepast aan de het totale verbruik en of levering van elektriciteit. Het laden wordt gepauzeerd als er te veel uit het net gehaald wordt en wordt weer opgestart als de eigen zonnepanelen weer genoeg leveren en er een overschot is.
  • Fast mode. Met dit profiel zal de wagen worden opgeladen op maximale snelheid, precies zoals elke andere EV (electric vehicle) lader. Er kan een limiet gezet worden op het totale verbruik op die gebruikte fase.

Mooi voorbeeld van load balancing: de laadstroom (blauw) wordt net zo hoog gemaakt als de productie(groen). Eco+ mode.

De Zappi kan bediend en uitgelezen worden via het display maar handiger is het om hem ook met de computer of telefoon uit te kunnen lezen. Bijvoorbeeld om dagelijks te loggen. Hiertoe is recent de hub ontwikkeld (de SW is nog gedeeltelijk in ontwikkeling). Deze wordt ook gebruikt om de updates te kunnen uitvoeren bij de Zappi

Ook handig is om timers te kunnen zetten om, indien nodig, gebruik te kunnen maken van het daltarief.

De vraag is nu, wat kan je ermee winnen met een dergelijke installatie. Ik kan wel een aantal voordelen bedenken:

  • Maximaal gebruik van de eigen zonne-energie. Dit voordeel kan bij niet-saldering wel oplopen tot € 100 per jaar mits goed geprogrammeerd. Dit is afhankelijk van het aantal kilometers per jaar, de periode van laden en de terugleververgoeding. (Uitwerking verderop.)
  • Maximaal laden mogelijk door loadbalancing.
  • Afstandsbediening.
  • Tal van andere zaken die je ook bij andere laders tegenkomt.

Meer info over Zappi via www.zappi.nl

Behalve de persoonlijke voordelen, financieel maar ook technisch zoals een groter vermogen om te kunnen laden, heeft het ook het voordeel voor de netbeheerder dat het net minder belast wordt met terug geleverde stroom waar dan mogelijk weinig behoefte aan is. Voor één aansluiting maakt het natuurlijk niet veel uit maar als meer mensen met een elektrische auto dit doen, dan kan het toch behoorlijk schelen.

De volgende vraag is over wat voor getallen we praten.

Hoeveel verbruikt een elektrische auto?

Dit is ongeveer 0,15 – 0,20 kWh per km. (Ter vergelijking: een elektrische fiets gebruikt 17 keer zo weinig namelijk 0,0095 kWh/ km). Dit is afhankelijk van de auto maar zeker ook van de snelheid van de auto. Vooral de wind is een belangrijke factor.

Om het in een formule uit te drukken:

V = a   + b  x  v  +  C w  x  v2

V = het verbruik,

a = het constante verbruik zoals van lampen, verwarming, geluidsinstallatie, navigatie

b = rolweerstand van banden wegdek, het weer enz.

C w = constante luchtweerstand  (Nissan Leaf 0,28)

v = snelheid

Een elektrische auto scoort heel goed op de “a”. Dit is het constante verbruik. Bij een verbrandingsmotor benzine of diesel, blijft de motor stationair draaien. Daarom wordt een dergelijke motor in de auto ook heet en uiteindelijk moet de ventilator bijspringen vanwege de stationaire verliezen. Een elektrische auto heeft dit stationaire effect niet. Wel is het zo dat bij een brandstofauto de warmte een afvalproduct is waardoor de auto, bij kou verwarmen, geen extra energie kost. Bij een moderne elektrische auto wordt hiervoor een klein luchtwarmtepompje gebruikt. In dit geval is een luchtwarmtepomp een goede toepassing 😉. Een bodemwarmtepomp vereist dan wel een hééééééééél lange slang 😉.

De “b” in de bovenstaande formule is hoofdzakelijk de rolweerstand en bij brandstofauto’s vooral ook veel overbrengingen zoals een versnellingsbak. Bij elektrische auto’s is de “b” gezamenlijk de rolweerstand genoemd dus minder. Wél is het gewicht van een elektrische auto iets meer vanwege het accupakket.

De “c” in de formule is de luchtweerstand constante en is zeer afhankelijk van de vorm, met name die van de voor en achterkant van de auto evenals eventuele uitsteeksels (spiegels, spoiler of fietsen achterop). Dit wordt vaak uitgedrukt in de C w -waarde van een auto. Gewone gezinswagens hebben een C w -waarde van 0,27 tot ca. 0,32. De “snelle” wagens halen de 0,22 maar zijn aerodynamisch gemaakt door ze heel plat te maken en dan is het geen gezinsauto meer, alleen maar om te showen eigenlijk. De Nissan Leaf heeft een C w -waarde van 0,28.

Blijft over de “v” in de formule en is de snelheid. Deze telt kwadratisch als het gaat om de totale luchtweerstand en dan gaat het verbruik heel hard omhoog bij hoge snelheden. Dit valt bij een elektrische auto meer op omdat het stationaire verbruik veel lager is.

En dan ga ik nu wat getallen noemen:

Als ik naar verwachting 10000 km per jaar rijd, heb ik 10.000 km x 0,18 kWh/ km = 1800 kWh nodig. Als een zonnepaneel ca 270 kWh per jaar levert heb ik 1800 kWh/ 270 kWh/ paneel = 6,7 panelen nodig om het verbruik te compenseren. In het geval, als alles uitsluitend uit het net (grid) moet komen, kost het 1800 kWh x € 0,21/ kWh = € 378 per jaar.

Nu is ook wel interessant te weten wat het oplevert als we willekeurig laden of uitsluitend in de zon. In beide gevallen is er dan geen salderingsregeling meer en het verschil in leveren en verbruik is, nemen we aan, € 0,06. De zonperiode komt dan uit op € 0,15 omdat we dit anders zouden terugkrijgen voor de levering voor wat we over hebben.

We nemen de zomerperiode (6 maanden) 5000 km x 0,18 kWh/ km = 900 kWh. Bij willekeurig laden (de helft met voldoende zon, de andere helft zonder voldoende zon) in de tijd kost dit in de zomer 450 kWh x € 0,21 + 450 km x € 0,15 = € 162

Kunnen we volledig gebruik maken van de zon, dan zijn de kosten 900 km x € 0,15 = € 135

De Zappi levert dus € 162 – € 135 = € 27 in de zomerperiode op.

Hebben we de zonne-energie echt over (op jaarbasis) dan wordt het verschil groter:

De vergoeding van de provider (Greenchoice) is dan € 0,11. We nemen de zomerperiode, 6 maanden, 5000 km x 0,18 kWh/ km = 900 kWh. Bij willekeurig aansluiten in de tijd kost dit in de zomer 450 kWh x € 0,21 + 450 kWh x € 0,11 = € 144

Kunnen we volledig gebruik maken van de zon, dan zijn de kosten 900 km x € 0,11 = € 99

De Zappi levert dan dus € 144 – € 99 = € 45 in de zomer op als we zonne-energie op jaarbasis over hebben.

Een soortgelijk sommetje kunnen we ook maken voor de winter. Het is dan alleen niet realistisch dat we de auto daarmee volledig kunnen laden. Toch is uit het tabelletje af te lezen dat daar 815 kWh te gebruiken is in plaats van te verrekenen. Als we nu even aannemen dat we 450 kWh van de 815 kWh kunnen gebruiken krijgen we nog steeds hetzelfde sommetje en levert de Zappi, ook in de winter, € 27 op bij verbruik op jaarbasis zonder salderingsregeling.

Hebben we een overschot op jaarbasis dan gaat ook nog steeds het sommetje op en is de opbrengst € 45 voor de winter.

Conclusie: op jaarbasis is de opbrengst bij gebruik van de Zappi zowel in de zomer als de winter € 27 dus samen € 54 per jaar.

Heb je een overschot op jaarbasis, dan is de opbrengst € 90 per jaar omdat je anders in het gunstigste geval € 0,11 per kWh krijgt.

Wat kan je doen om te besparen bij een elektrische auto?

Als je bij voorbaat weet dat je een grote rit gaat maken en het is koud, dan kan je de auto voorverwarmen. Dat lijkt gek, maar als je daar de tijd voor neemt (enkele uren) wordt de auto en dus het accupakket warmer en gaat de capaciteit aanmerkelijk omhoog. Dit kan je doen als de auto nog aan de laadpaal staat en gaat dus niet ten koste van de lading uit je accupakket. Hierdoor is de actieradius groter. Moderne elektrische auto’s hebben deze faciliteit ingebouwd.