De afgelopen 50 jaar is het wereldwijde elektriciteitsverbruik continu gestegen, met een geschat verbruik van ongeveer 25.300 terawattuur in 2021. Met de transitie naar Industrie 4.0 neemt de energievraag wereldwijd toe. Deze cijfers stijgen jaarlijks, exclusief de energiebehoefte van de industrie en andere economische sectoren. Deze industriële verschuiving en het hoge energieverbruik gaan gepaard met meer tastbare gevolgen voor de klimaatverandering als gevolg van de excessieve 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 belemmeren extra energieopwekking met conventionele methoden. Daarom is de ontwikkeling van efficiënte en betrouwbare energieopslagsystemen steeds belangrijker geworden om een continue en betrouwbare energievoorziening uit hernieuwbare bronnen te garanderen.
De energiesector heeft hierop gereageerd door over te stappen op hernieuwbare energie of 'groene' oplossingen. Deze transitie is mede mogelijk gemaakt door verbeterde productietechnieken, die bijvoorbeeld leiden tot een efficiëntere productie van windturbinebladen. Daarnaast zijn onderzoekers erin geslaagd de efficiëntie van fotovoltaïsche cellen te verbeteren, wat resulteert in een hogere energieopwekking per oppervlakte-eenheid. In 2021 steeg de elektriciteitsopwekking uit zonne-energie (fotovoltaïsche systemen) aanzienlijk en bereikte een record van 179 TWh, een groei van 22% ten opzichte van 2020. Zonne-energie is nu goed voor 3,6% van de wereldwijde elektriciteitsopwekking en is momenteel de derde grootste hernieuwbare energiebron, na waterkracht en windenergie.
Deze doorbraken lossen echter niet alle inherente nadelen van hernieuwbare energiesystemen op, met name de beschikbaarheid. De meeste van deze methoden produceren geen energie op aanvraag, zoals kolen- en oliecentrales dat wel doen. Zonne-energie is bijvoorbeeld gedurende de hele dag beschikbaar, met variaties afhankelijk van de invalshoek van de zon en de positionering van de zonnepanelen. 's Nachts kan er geen energie worden opgewekt en de opbrengst is aanzienlijk lager in de winter en op bewolkte dagen. Ook windenergie is onderhevig aan schommelingen afhankelijk van de windsnelheid. Daarom moeten deze oplossingen worden gecombineerd met energieopslagsystemen om de energievoorziening tijdens perioden met een lage opbrengst te garanderen.
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 loodzuurbatterijen. 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 gebruikte methode voor energieopslag in het dagelijks leven. Er bestaan ook andere opslagsystemen, zoals waterkrachtcentrales die de potentiële energie van water in een stuwmeer omzetten in elektrische energie. Het neervallende water drijft het vliegwiel van een turbine aan, die zo elektriciteit opwekt. Een ander voorbeeld is gecomprimeerd gas; bij vrijlating drijft het gas het wiel van een turbine aan, waardoor elektriciteit wordt opgewekt.
Wat batterijen onderscheidt van andere opslagmethoden, is hun potentiële toepassingsgebied. Van kleine apparaten en de stroomvoorziening van auto's tot huishoudelijke toepassingen en grote zonneparken: batterijen kunnen naadloos worden geïntegreerd in elke off-grid opslagtoepassing. Waterkracht en perslucht vereisen daarentegen zeer grote en complexe infrastructuren voor opslag. Dit leidt tot zeer hoge kosten, waardoor de investering pas rendabel is bij zeer grootschalige toepassingen.
Toepassingsvoorbeelden van opslagsystemen die niet op het elektriciteitsnet zijn aangesloten.
Zoals eerder vermeld, kunnen decentrale opslagsystemen het gebruik van en de afhankelijkheid van hernieuwbare energiebronnen zoals zonne- en windenergie vergemakkelijken. Er zijn echter ook andere toepassingen die aanzienlijk kunnen profiteren van dergelijke systemen.
Het elektriciteitsnet van steden is erop gericht om 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 worden gebruikt om schommelingen op te vangen en meer stabiliteit te bieden tijdens piekbelastingen. Vanuit een ander perspectief kunnen off-grid opslagsystemen zeer nuttig zijn om onvoorziene technische storingen in het hoofdnet of tijdens geplande onderhoudsperioden op te vangen. Ze kunnen in de stroombehoefte voorzien zonder dat er naar alternatieve energiebronnen hoeft te worden gezocht. Een voorbeeld hiervan is de ijsstorm in Texas begin februari 2023, waarbij ongeveer 262.000 mensen zonder stroom kwamen te zitten, terwijl reparaties werden vertraagd door de moeilijke weersomstandigheden.
Elektrische voertuigen vormen een andere toepassing. Onderzoekers hebben veel moeite gestoken in het optimaliseren van de batterijproductie en de laad-/ontlaadstrategieën om de levensduur en de energiedichtheid van batterijen te verlengen. Lithium-ionbatterijen hebben een voortrekkersrol gespeeld 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 met de juiste technologieën ook tot kortere laadtijden.
Andere technologische ontwikkelingen, zoals onbemande luchtvaartuigen (UAV's) en mobiele robots, hebben enorm geprofiteerd van de ontwikkeling van accu's. Hun bewegings- en besturingsstrategieën zijn sterk afhankelijk van de capaciteit en het vermogen van de accu.
Wat is een BESS?
Een BESS, ofwel een batterij-energieopslagsysteem, is een systeem voor energieopslag dat gebruikt kan worden om energie op te slaan. Deze energie kan afkomstig zijn van het elektriciteitsnet of van hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie. Het systeem bestaat uit meerdere batterijen die in verschillende configuraties (serie/parallel) zijn geschakeld en waarvan de grootte is afgestemd op de behoeften. Deze batterijen zijn aangesloten op een omvormer die de gelijkstroom (DC) omzet in wisselstroom (AC). Een batterijbeheersysteem (BMS) bewaakt de batterijcondities en het laad- en ontlaadproces.
Vergeleken met andere energieopslagsystemen zijn ze bijzonder flexibel qua plaatsing/aansluiting en vereisen ze geen zeer dure infrastructuur, maar ze brengen nog steeds aanzienlijke kosten met zich mee en vereisen, afhankelijk van het gebruik, regelmatiger onderhoud.
BESS-dimensionering en gebruiksgewoonten
Een cruciaal punt om aan te pakken 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, met name in stedelijke gebieden, is zonne-energie via fotovoltaïsche panelen. De ingenieur zal doorgaans rekening houden met het gemiddelde energieverbruik van het huishouden en de zonnestraling gedurende het jaar voor de specifieke locatie beoordelen. Het aantal batterijen en hun netconfiguratie worden gekozen om te voldoen aan de vraag van het huishouden tijdens de periode met de laagste zonne-energieopbrengst, zonder de batterijen volledig te ontladen. Dit gaat ervan uit dat de oplossing volledig onafhankelijk is van het elektriciteitsnet.
Het behouden van een relatief gematigd laadniveau of het niet volledig ontladen van de batterijen lijkt misschien in eerste instantie contra-intuïtief. Waarom zou je immers een opslagsysteem gebruiken als je het volledige potentieel ervan niet kunt benutten? Theoretisch is het mogelijk, maar het is wellicht niet de strategie die het rendement op de investering maximaliseert.
Een van de grootste nadelen van batterij-energieopslagsystemen (BESS) is de relatief hoge kostprijs van de batterijen. Daarom is het essentieel om een gebruikspatroon of een laad-/ontlaadstrategie te kiezen die de levensduur van de batterij maximaliseert. Loodzuurbatterijen kunnen bijvoorbeeld niet onder de 50% van hun capaciteit worden ontladen zonder onherstelbare schade op te lopen. Lithium-ionbatterijen hebben een hogere energiedichtheid en een lange levensduur. Ze kunnen ook over een groter bereik worden ontladen, maar dit gaat ten koste van de prijs. Er is een groot prijsverschil tussen de verschillende chemische samenstellingen; loodzuurbatterijen kunnen honderden tot duizenden dollars goedkoper zijn dan een lithium-ionbatterij van dezelfde grootte. Dit is de reden waarom loodzuurbatterijen het meest worden gebruikt in zonne-energie-toepassingen in ontwikkelingslanden en arme gemeenschappen.
De prestaties van een batterij worden sterk beïnvloed door degradatie gedurende de levensduur; de prestaties zijn niet constant en eindigen niet met een plotselinge uitval. In plaats daarvan kan de capaciteit geleidelijk afnemen. In de praktijk wordt een batterij als ten einde beschouwd wanneer de capaciteit nog maar 80% van de oorspronkelijke capaciteit bedraagt. Met andere woorden, wanneer de capaciteit met 20% is afgenomen. Dit betekent in de praktijk dat er minder energie kan worden geleverd. Dit kan de gebruiksduur van volledig zelfvoorzienende systemen en de actieradius van een elektrische auto beïnvloeden.
Een ander belangrijk punt is de 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 gebruiker in gevaar kan brengen.
Daarom hebben bedrijven betere batterijbewakingssoftware (BMS) ontwikkeld om het batterijgebruik te controleren en de conditie van de batterij in de gaten te houden, zodat tijdig onderhoud kan worden uitgevoerd en ernstigere problemen kunnen worden voorkomen.
Conclusie
Opslagsystemen voor energie in het elektriciteitsnet bieden een uitstekende mogelijkheid om onafhankelijk te worden van het hoofdnet, maar ook om een back-upbron te vormen tijdens stroomuitval en piekbelastingen. De ontwikkeling ervan zou de overgang naar groenere energiebronnen vergemakkelijken, waardoor de impact van energieopwekking op klimaatverandering wordt beperkt en tegelijkertijd aan de energiebehoeften wordt voldaan bij een constant groeiend verbruik.
Batterij-energieopslagsystemen zijn de meest gebruikte en gemakkelijkst te configureren systemen voor diverse dagelijkse toepassingen. Hun grote flexibiliteit gaat echter gepaard met relatief hoge kosten, wat leidt tot de ontwikkeling van monitoringstrategieën om de levensduur zo lang mogelijk te verlengen. Momenteel besteden zowel de industrie als de academische wereld veel aandacht aan het onderzoeken en begrijpen van batterijdegradatie onder verschillende omstandigheden.
