Hoe sla je elektriciteit op buiten het net?

De afgelopen 50 jaar is het wereldwijde elektriciteitsverbruik continu toegenomen, met een geschat verbruik van ongeveer 25.300 terawattuur in het jaar 2021. Met de overgang naar Industrie 4.0 neemt de vraag naar energie wereldwijd toe. Deze aantallen nemen elk jaar toe, exclusief de energiebehoefte van industriële en andere economische sectoren. Deze industriële verschuiving en het hoge energieverbruik gaan gepaard met meer tastbare effecten op klimaatverandering als gevolg van overmatige uitstoot van broeikasgassen. Momenteel zijn de meeste energiecentrales en -faciliteiten sterk afhankelijk van fossiele brandstoffen (olie en gas) om aan deze vraag te voldoen. Deze klimaatproblemen staan extra energieopwekking met conventionele methoden in de weg. Daarom is de ontwikkeling van efficiënte en betrouwbare energieopslagsystemen steeds belangrijker geworden om een continue en betrouwbare levering van energie uit hernieuwbare bronnen te garanderen.

De energiesector heeft hierop gereageerd door over te schakelen op hernieuwbare energie of "groene" oplossingen. Deze transitie is bevorderd door verbeterde productietechnieken, wat bijvoorbeeld heeft geleid tot een efficiëntere productie van windturbinebladen. Ook hebben onderzoekers de efficiëntie van fotovoltaïsche cellen kunnen verbeteren, wat heeft geleid tot een hogere energieopwekking per gebruiksgebied. In 2021 nam de elektriciteitsopwekking uit fotovoltaïsche (PV) bronnen aanzienlijk toe, tot een recordhoogte van 179 TWh, een groei van 22% ten opzichte van 2020. Zonne-PV-technologie is nu goed voor 3,6% van de wereldwijde elektriciteitsopwekking en is momenteel de derde grootste bron van hernieuwbare energie, na waterkracht en wind.

Deze doorbraken lossen echter geen enkele inherente nadelen van hernieuwbare energiesystemen op, met name de beschikbaarheid. De meeste van deze methoden produceren geen energie op aanvraag, zoals kolen- en oliecentrales. Zonne-energie is bijvoorbeeld de hele dag beschikbaar, met variaties afhankelijk van de instraling van de zon en de plaatsing van de zonnepanelen. 's Nachts kan er geen energie worden opgewekt, terwijl de opbrengst aanzienlijk lager is in de winter en op zeer bewolkte dagen. Windenergie heeft ook last van schommelingen afhankelijk van de windsnelheid. Daarom moeten deze oplossingen worden gekoppeld aan energieopslagsystemen om de energievoorziening te handhaven tijdens periodes met een lage opbrengst.

Wat zijn energieopslagsystemen?

Energieopslagsystemen kunnen energie opslaan om deze later te gebruiken. In sommige gevallen vindt er een vorm van energieomzetting plaats tussen opgeslagen energie en geleverde energie. Het meest voorkomende voorbeeld zijn elektrische batterijen, zoals lithium-ionbatterijen of loodaccu's. Deze leveren elektrische energie door middel van chemische reacties tussen de elektroden en de elektrolyt.

Batterijen, of BESS (Battery Energy Storage System), vormen de meest voorkomende energieopslagmethode in het dagelijks leven. Er bestaan ook andere opslagsystemen, zoals waterkrachtcentrales, die de potentiële energie van water in een dam omzetten in elektrische energie. Het vallende water drijft het vliegwiel van een turbine aan die elektrische energie opwekt. Een ander voorbeeld is samengeperst gas: wanneer het gas vrijkomt, drijft het het wiel van de turbine aan die elektriciteit opwekt.

Wat batterijen onderscheidt van andere opslagmethoden, zijn hun potentiële toepassingsgebieden. Van kleine apparaten en stroomvoorziening voor auto's tot huishoudelijke toepassingen en grote zonneparken, batterijen kunnen naadloos worden geïntegreerd in elke off-grid opslagtoepassing. Aan de andere kant vereisen waterkracht en persluchtmethoden zeer grote en complexe infrastructuren voor opslag. Dit leidt tot zeer hoge kosten, waardoor zeer grote toepassingen nodig zijn om deze methode te rechtvaardigen.

Gebruiksvoorbeelden voor off-grid opslagsystemen.

Zoals eerder vermeld, kunnen off-grid opslagsystemen het gebruik en de afhankelijkheid van hernieuwbare energiebronnen zoals zonne- en windenergie vergemakkelijken. Niettemin zijn er andere toepassingen die sterk kunnen profiteren van dergelijke systemen.

Stedelijke elektriciteitsnetten streven ernaar de juiste hoeveelheid stroom te leveren op basis van vraag en aanbod in elke stad. De benodigde stroom kan gedurende de dag fluctueren. Off-grid opslagsystemen zijn gebruikt om schommelingen te dempen en meer stabiliteit te bieden bij piekvraag. Vanuit een ander perspectief kunnen off-grid opslagsystemen zeer nuttig zijn om onvoorziene technische storingen in het hoofdstroomnet of tijdens geplande onderhoudsbeurten te compenseren. Ze kunnen aan de stroombehoefte voldoen zonder dat er naar alternatieve energiebronnen hoeft te worden gezocht. Denk bijvoorbeeld aan de ijsstorm in Texas begin februari 2023, die ongeveer 262.000 mensen zonder stroom zette, terwijl reparaties vertraging opliepen door de barre weersomstandigheden.

Elektrische voertuigen vormen een andere toepassing. Onderzoekers hebben veel moeite gestoken in het optimaliseren van de batterijproductie en laad-/ontlaadstrategieën om de levensduur en vermogensdichtheid van batterijen te verlengen. Lithium-ionbatterijen hebben het voortouw genomen in deze kleine revolutie en worden veelvuldig gebruikt in nieuwe elektrische auto's, maar ook in elektrische bussen. Betere batterijen kunnen in dit geval leiden tot een grotere actieradius, maar ook tot kortere laadtijden met de juiste technologieën.

Andere technologische ontwikkelingen, zoals drones en mobiele robots, hebben enorm geprofiteerd van de ontwikkeling van batterijen. Hun bewegings- en besturingsstrategieën zijn sterk afhankelijk van de batterijcapaciteit en het geleverde vermogen.

Wat is een BESS

BESS, oftewel batterij-energieopslagsysteem, is een energieopslagsysteem dat kan worden gebruikt om energie op te slaan. Deze energie kan afkomstig zijn van het elektriciteitsnet of van hernieuwbare energiebronnen zoals windenergie en zonne-energie. Het bestaat uit meerdere batterijen die in verschillende configuraties (serie/parallel) zijn geplaatst en waarvan de grootte is afgestemd op de vereisten. Ze zijn aangesloten op een omvormer die de gelijkstroom omzet in wisselstroom voor gebruik.batterijbeheersysteem (BMS)wordt gebruikt om de conditie van de batterij en het laad-/ontlaadproces te controleren.

Vergeleken met andere energieopslagsystemen zijn ze bijzonder flexibel te plaatsen/aan te sluiten en vereisen ze geen extreem dure infrastructuur. Ze brengen echter nog steeds aanzienlijke kosten met zich mee en vergen, afhankelijk van het gebruik, regelmatiger onderhoud.

BESS-maatvoering en gebruiksgewoonten

Een cruciaal punt bij de installatie van een batterij-energieopslagsysteem is de dimensionering. Hoeveel batterijen zijn er nodig? In welke configuratie? In sommige gevallen kan het type batterij op de lange termijn een cruciale rol spelen in termen van kostenbesparing en efficiëntie.

Dit wordt per geval bekeken, aangezien de toepassingen kunnen variëren van kleine huishoudens tot grote industriële installaties.

De meest voorkomende hernieuwbare energiebron voor kleine huishoudens, vooral in stedelijke gebieden, is zonne-energie met behulp van fotovoltaïsche panelen. De ingenieur houdt over het algemeen rekening met het gemiddelde stroomverbruik van het huishouden en beoordeelt de zonnestraling gedurende het jaar op de specifieke locatie. Het aantal batterijen en de netconfiguratie worden gekozen om aan te sluiten bij de vraag van het huishouden tijdens de laagste zonne-energielevering van het jaar, zonder de batterijen volledig te ontladen. Dit veronderstelt een oplossing die volledig onafhankelijk is van het elektriciteitsnet.

Het handhaven van een relatief gematigde ladingstoestand of het niet volledig ontladen van de accu's lijkt in eerste instantie misschien tegenstrijdig. Waarom zouden we immers een opslagsysteem gebruiken als we het niet volledig kunnen benutten? In theorie is het mogelijk, maar het is misschien niet de strategie die het rendement op de investering maximaliseert.

Een van de grootste nadelen van BESS zijn de relatief hoge kosten van batterijen. Daarom is het essentieel om een gebruikspatroon of een laad-/ontlaadstrategie te kiezen die de levensduur van de batterij maximaliseert. Loodzuuraccu's kunnen bijvoorbeeld niet worden ontladen tot minder dan 50% capaciteit zonder onherstelbare schade op te lopen. Lithium-ionaccu's hebben een hogere energiedichtheid en een langere levensduur. Ze kunnen ook worden ontladen met een groter bereik, maar dit brengt een hogere prijs met zich mee. Er is een grote prijsvariatie tussen verschillende chemische samenstellingen; loodzuuraccu's kunnen honderden tot duizenden dollars goedkoper zijn dan een lithium-ionaccu van dezelfde grootte. Daarom worden loodzuuraccu's het meest gebruikt in zonne-energietoepassingen in ontwikkelingslanden en arme gemeenschappen.

De prestaties van de accu worden sterk beïnvloed door degradatie gedurende de levensduur. De accu presteert niet constant en eindigt niet plotseling. In plaats daarvan kan de capaciteit en de geleverde energie geleidelijk afnemen. In de praktijk wordt een accu als verbruikt beschouwd wanneer de capaciteit 80% van de oorspronkelijke capaciteit bereikt. Met andere woorden, wanneer de capaciteit met 20% afneemt. In de praktijk betekent dit dat er minder energie kan worden geleverd. Dit kan van invloed zijn op de gebruiksduur van volledig onafhankelijke systemen en de kilometerstand die een elektrische auto kan afleggen.

Een ander punt om te overwegen is veiligheid. Dankzij de vooruitgang in productie en technologie zijn recente batterijen over het algemeen chemisch stabieler. Door degradatie en misbruik kunnen cellen echter in een thermische runaway terechtkomen, wat catastrofale gevolgen kan hebben en in sommige gevallen zelfs het leven van de consument in gevaar kan brengen.

Daarom hebben bedrijven betere software voor batterijbewaking (BMS) ontwikkeld. Daarmee kunnen ze niet alleen het batterijgebruik controleren, maar ook de gezondheidstoestand ervan in de gaten houden. Zo kunnen ze tijdig onderhoud uitvoeren en ergere gevolgen voorkomen.

Conclusie

Energieopslagsystemen bieden een uitstekende mogelijkheid om onafhankelijk te worden van het hoofdnet, maar dienen ook als back-up tijdens uitval- en piekbelastingperiodes. Deze ontwikkeling zou de overstap naar groenere energiebronnen vergemakkelijken, waardoor de impact van energieopwekking op klimaatverandering wordt beperkt en tegelijkertijd aan de energiebehoeften bij een constant groeiend verbruik wordt voldaan.

Batterij-energieopslagsystemen zijn het meest gebruikt en het eenvoudigst te configureren voor verschillende dagelijkse toepassingen. Hun hoge flexibiliteit gaat gepaard met relatief hoge kosten, wat leidt tot de ontwikkeling van monitoringstrategieën om de levensduur ervan zoveel mogelijk te verlengen. Momenteel steken de industrie en de academische wereld veel energie in het onderzoeken en begrijpen van batterijdegradatie onder verschillende omstandigheden.