Elektrische voertuigen

De snelgroeiende markt voor elektrische voertuigen (EV’s) vereist een overeenkomstige infrastructuur voor het opladen van de accu’s. Dit opladen moet natuurlijk gemakkelijk thuis, onderweg of bij bedrijven kunnen plaatsvinden.

[Dit artikel verscheen eerder in Vexpansie 2020-1 | Tekst Nico Kluwen]

Oplaadapparatuur, aangeduid als Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE), verbindt een elektrisch voertuig veilig en gemakkelijk met de netvoeding. Opladen valt in een van de twee brede categorieën:

• AC, waarbij wisselstroom aan het voertuig wordt geleverd en apparatuur die in het voertuig is ingebouwd, de stroom omzet in gelijkstroom om de batterij op te laden;
• DC, waarbij de netspanning wordt omgezet in gelijkstroom binnen het laadpunt voordat deze aan het voertuig wordt geleverd.

Op dit moment is categorie AC de meest voorkomende binnen de oplaadapparatuur. Daarnaast zijn eveneens de laadmodes gedefinieerd namelijk:

• MODE 1, Aansluiting van het elektrische voertuig op het AC-voedingsnet, waarbij gebruik wordt gemaakt van genormaliseerde contactdozen met een stroom lager dan of gelijk aan 16 A en een spanning lager dan of gelijk aan 250 V (eenfasestelsel) of 480 V (driefasenstelsel) aan de voedende zijde;
• MODE 2, Aansluiting van het elektrische voertuig op het AC-voedingsnet, waarbij gebruikgemaakt wordt van genormaliseerde éénfase- of driefasencontactdozen met een stroom lager dan of gelijk aan 32 A en een spanning lager dan of gelijk aan 250 V (eenfasestelsel) of 480 V (driefasenstelsel);
• MODE 3, Aansluiting van het elektrische voertuig op het AC-voedingsnet, waarbij gebruikgemaakt wordt van specifiek, aan het voertuig gerelateerd materieel voor de voeding;
• MODE 4, Aansluiting van het elektrische voertuig op het AC-voedingsnet, waarbij gebruikgemaakt wordt van een externe lader.

De grootte van de accu is van invloed op hoe lang het duurt om het voertuig op te laden. Dit is een van de belangrijkste factoren bij het kiezen van geschikte laadopties. Voor een Plug-in Hybrid (PHEV) met een relatief kleine accu is het voldoende een aansluiting met klein vermogen te realiseren, terwijl voor een volledig elektrisch voertuig dat regelmatig met een bijna lege accu thuis arriveert het noodzakelijk is een aansluiting met een hoger vermogen te realiseren zodat ’s nachts comfortabel kan worden opgeladen.

Zakelijk gebruik van elektrische auto’s en bestelwagens zal een aanzienlijk deel van de totale marktgroei verzorgen, vooral met de verwachte versnelling van marktsegmenten zoals onder andere taxi’s. Momenteel wordt een op de zes bestelde leaseauto’s een elektrische auto.

Energiezekerheid

De wijze waarop EV’s worden opgeladen wordt belangrijk voor de energiezekerheid en voor de inspanningen om de klimaatverandering aan te pakken. Tegelijkertijd zal de belasting op het energienetwerk toenemen. Smart laden wordt een belangrijk hulpmiddel om ervoor te zorgen dat de meeste voertuigen worden opgeladen wanneer elektriciteit goedkoper is, minder koolstofintensief is en de druk op het netwerk kan worden beheerd.

Meer dan 80 procent van het opladen van elektrische voertuigen vindt thuis en meestal ’s nachts plaats. Dit biedt niet alleen voordelen voor de consument, maar ook voor het energiesysteem als geheel. De mogelijkheden voor het onderweg opladen, of vanaf de werkplek of vanuit de openbare infrastructuur vormen een kleiner, maar net zo belangrijk onderdeel.

Bij de aansluiting van de laadvoorziening op de woonhuisinstallatie moet voor de laadvoorziening een afzonderlijke eindgroep worden gereserveerd. De laadvoorzieningen zijn er in diverse uitvoeringsvormen en vermogens. De stekker die in Nederland wordt toegepast is de zogenaamde Mennekes stekker.

Laadvermogen

Het laadvermogen wordt bepaald door de auto. Ondanks dat een oplaadpaal vaak wordt gezien als de oplader, zit de daadwerkelijke oplader in de auto. De laadpaal levert namelijk wisselspanning, terwijl de accu op gelijkspanning werkt. De oplader in de auto zet de stroom om en zorgt ervoor dat de accu zo efficiënt mogelijk wordt geladen. Een PHEV (plug-in hybrid electric vehicle) heeft vaak een laadvermogen van 3,7 kW, terwijl een BEV (battery electric vehicle) tot wel 22 kW laadvermogen heeft.

De tijd die nodig is om de accu van een elektrisch voertuig op te laden, is afhankelijk van een breed scala aan factoren, waaronder:

• Voertuig gerelateerd, onder andere:

– accucapaciteit en technologie.

– de capaciteit en efficiëntie van de ingebouwde lader (AC-opladen).

– de temperatuur van de batterij.

• Apparatuur gerelateerd, onder andere:

– de nominale stroom van de stekker en het stopcontact;

– de kabelmaat;

– het voedingscircuit.

Deze aspecten beïnvloeden de tijd die nodig is om de accu volledig op te laden.

Laadsnelheidgedrag

De laadtijden voor laders met groot vermogen worden vaak opgegeven tot 80 procent omdat dit een prestatievoordeel oplevert en waarvoor ze zijn ontworpen in openbare gebruiksscenario’s. Dit komt omdat het vermogen van de accu om snel op te laden afneemt naarmate de batterij dichter bij de volledige capaciteit komt.

Een oplaadpunt van 100 kW kan bijvoorbeeld de accu zeer snel tot 40 procent opladen, maar daarna zal de oplaadsnelheid geleidelijk afnemen. Tegen de tijd dat de batterij een capaciteit van 70 procent bereikt, kan de laadsnelheid hetzelfde zijn als een laadpunt van 50 kW en wordt het allerlaatste beetje geladen met dezelfde snelheid als een wandcontactdoos. Dus bijvoorbeeld tegen het einde van de laadperiode werkt een typisch 50 kW laadpunt op een fractie van zijn potentiële capaciteit, terwijl een 3,7kW-laadpunt nog steeds werkt bij zijn maximale (relatief trage) snelheid. Het belangrijke punt is echter dat, omdat het 50 kW laadpunt in het begin met een hoge snelheid heeft opgeladen, de totale oplaadtijd van de batterij nog steeds veel korter is.

Diverse laadpalen zijn voor dit doeleinde uitgerust met communicatiemogelijkheden. Door het verbruik in de woning te meten (bijvoorbeeld door communicatie met de slimme meter) kan het laadproces worden afgestemd op de aanwezige belasting. Hierdoor kan wellicht een verzwaring van de aansluiting worden voorkomen. Afbeelding 1 geeft dit geregelde laadproces weer.

1. De laadpaal weet de capaciteit van de netaansluiting.
2. De laadpaal weet continu hoeveel stroom er verbruikt wordt.
3. De slimme meter geeft continu het totaalverbruik door.
4. De laadpaal rekent en levert alle beschikbare stroom.

Slimme meters

Slimme meters bieden de beste mogelijkheid om off-peak elektriciteit te gebruiken om elektrische voertuigen op te laden. Naarmate de EV-populatie groeit, wordt het steeds belangrijker om overbelasting op het energienetwerk te voorkomen en ervoor te zorgen dat de overstap naar elektrische voertuigen resulteert in de verwachte voordelen voor milieu en energiezekerheid. Smart laden maakt dit mogelijk, zodat EV’s in de voordeligste periodes worden opgeladen, lagere kosten en minder CO2-uitstoot mogelijk worden gemaakt en de druk op de netwerk­infrastructuur wordt verlicht.

Smart Charging is wanneer de laadcyclus kan worden gewijzigd door externe gebeurtenissen, en de EV daardoor effectief integreert met het hele voedingssysteem in een net.

In zeer eenvoudige bewoordingen betekent dit dat, indien toegestaan door de gebruiker, het opladen van een EV kan worden gepauzeerd of de laadsnelheid kan worden verhoogd of verlaagd als reactie op opdrachten ontvangen van energienetwerkbeheerders. Een belangrijk kenmerk van slim opladen is dat de gebruiker de ultieme controle behoudt door de parameters aan te passen aan zijn behoeften, terwijl een zekere mate van autonomie wordt opgegeven is in ruil voor lagere energiekosten.

Overbelasting

Wanneer een elektrische auto zonder al te veel nadenken wordt opgeladen, kan dit tot overbelasting in de installatie of in het elektriciteitsnetwerk leiden. Het mag duidelijk zijn dat één elektrische auto het elektriciteitsnet niet snel zal verstoren, maar met gangbare laadvermogens van 1 x 10 A tot en met 3 x 32 A per auto kunnen er in een gebouwinstallatie al snel knelpunten ontstaan. Het inpassen van een oplaadvoorziening vraagt dus om enige coördinatie. Belangrijke parameters om mee te nemen bij het kiezen van oplaadpunten en de voedende installatie zijn:

• het maximale oplaadvermogen van de typische auto die gaat worden aangesloten;
• de vrije capaciteit in de installatie;
• de snelheid waarmee zou moeten worden geladen (verhouding tussen oplaadvermogen en batterijcapaciteit);
• het aantal voertuigen wat tegelijk zou moeten kunnen laden.

Steeds vaker worden bij bedrijven intern, maar ook in (semi-)publieke parkeervoorzieningen, collectieve oplaadvoorzieningen aangelegd om meerdere voertuigen tegelijk te kunnen laten opladen. Het is de vraag of in de voedende installatie een vermogen moet worden vrijgehouden ter grootte van het aantal oplaadpunten maal het vermogen per oplaadpunt. Of dit noodzakelijk is, hangt in grote mate af van de typische gebruiker(s) van de oplaadpunten. Als de voorziening is bedoeld om in de lunchpauze alle busjes van een goederendistributiedienst bij te laden voor de middagdienst, dan is het beschikbare vermogen per oplaadpunt al snel ‘kritisch’. Voor de overige gevallen kan een aantal maatregelen worden getroffen om (hoofd)beveiligingen in de installatie niet te overbelasten:

• het continue vermogen per oplaadpunt beperken;
• de aansluiting op het elektriciteitsnet verzwaren;
• het verdraaien van de voedende driefasen van elk oplaadpunt;
• dynamisch het vermogen van het oplaadpunt aanpassen.

Het verdraaien van de voedende driefasen van elk oplaadpunt kan helpen, daar de meerderheid van de elektrische voertuigen enkelfasig oplaadt. Voor het dynamisch sturen van het oplaadvermogen per oplaadpunt zijn de eerste commerciële producten beschikbaar. Hierbij wordt de stroom gemeten door de (hoofd)beveiliging van de voedende installatie. Als daarop overbelasting dreigt kunnen dergelijke oplaadpunten via een regelsignaal het oplaadvermogen van de auto (tijdelijk) reduceren. Keerzijde hiervan is wel dat het laden langer duurt dan continu laden op het volle vermogen van oplaadpunt en lader in de auto.

Geraadpleegde literatuur:

A guide to electric vehicle infrastructure

Nico Kluwen,

directeur Nimirco B.V.