Hoe elektriciteit buiten het net opslaan?

De afgelopen 50 jaar is het mondiale elektriciteitsverbruik voortdurend toegenomen, met een geschat verbruik van ongeveer 25.300 terawattuur in het jaar 2021. Met de transitie naar industrie 4.0 is er overal ter wereld sprake van een toename van de energievraag. Deze aantallen stijgen elk jaar, afgezien van de stroombehoeften van industriële en andere economische sectoren. Deze industriële verschuiving en het hoge energieverbruik gaan gepaard met meer tastbare gevolgen van de klimaatverandering als gevolg van de buitensporige uitstoot van broeikasgassen. Momenteel zijn de meeste elektriciteitscentrales en -faciliteiten sterk afhankelijk van fossiele brandstoffen (olie en gas) om aan deze vraag te voldoen. Deze klimaatproblemen verbieden extra energieopwekking met behulp van conventionele methoden. De ontwikkeling van efficiënte en betrouwbare energieopslagsystemen is dus 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. De transitie is geholpen door verbeterde productietechnieken, die bijvoorbeeld hebben geleid tot een efficiëntere productie van windturbinebladen. Ook zijn onderzoekers erin geslaagd de efficiëntie van fotovoltaïsche cellen te verbeteren, wat heeft geleid tot een betere energieopwekking per gebruiksgebied. In 2021 is de elektriciteitsopwekking uit fotovoltaïsche zonne-energie (PV) aanzienlijk toegenomen, tot een record van 179 TWh en een groei van 22% vergeleken met 2020. De technologie van zonne-energie is nu verantwoordelijk voor 3,6% van de mondiale elektriciteitsopwekking en is momenteel de derde grootste hernieuwbare energiebron. energiebron na waterkracht en wind.

Deze doorbraken bieden echter geen oplossing voor enkele van de inherente nadelen van systemen voor hernieuwbare energie, vooral de beschikbaarheid ervan. De meeste van deze methoden produceren geen energie op afroep zoals kolen- en oliecentrales. De opbrengsten uit zonne-energie zijn bijvoorbeeld de hele dag beschikbaar, met variaties afhankelijk van de invalshoek van de zon en de plaatsing van het PV-paneel. Het kan 's nachts geen energie produceren, terwijl de output aanzienlijk wordt verminderd tijdens het winterseizoen en op zeer bewolkte dagen. Ook windenergie heeft te lijden onder schommelingen afhankelijk van de windsnelheid. Daarom moeten deze oplossingen worden gekoppeld aan energieopslagsystemen om de energievoorziening in perioden van lage productie op peil te houden.

Wat zijn energieopslagsystemen?

Energieopslagsystemen kunnen energie opslaan om in een later stadium te gebruiken. In sommige gevallen zal er sprake zijn van een vorm van energieconversie tussen opgeslagen energie en geleverde energie. Het meest voorkomende voorbeeld zijn elektrische batterijen zoals lithium-ionbatterijen of loodzuurbatterijen. Ze leveren elektrische energie door middel van chemische reacties tussen de elektroden en de elektrolyt.

Batterijen, of BESS (batterij-energieopslagsysteem), vertegenwoordigen de meest gebruikelijke energieopslagmethode die wordt gebruikt in toepassingen in het dagelijks leven. Er bestaan andere opslagsystemen, zoals waterkrachtcentrales die de potentiële energie van water dat in een dam is opgeslagen, omzetten in elektrische energie. Het naar beneden vallende water zal het vliegwiel van een turbine laten draaien die elektrische energie produceert. Een ander voorbeeld is gecomprimeerd gas; bij het vrijkomen zal het gas het wiel van de turbine laten draaien en stroom produceren.

Wat batterijen onderscheidt van de 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 een zeer grote en complexe infrastructuur voor opslag. Dit leidt tot zeer hoge kosten die zeer grote toepassingen vereisen om gerechtvaardigd te zijn.

Use cases voor off-grid opslagsystemen.

Zoals eerder vermeld kunnen off-grid opslagsystemen het gebruik van en de afhankelijkheid van hernieuwbare energiemethoden zoals zonne- en windenergie vergemakkelijken. Niettemin zijn er andere toepassingen die veel baat kunnen hebben bij dergelijke systemen

Stadselektriciteitsnetten zijn bedoeld om de juiste hoeveelheid stroom te leveren op basis van de vraag en het aanbod van elke stad. Het benodigde vermogen kan gedurende de dag fluctueren. Off-grid opslagsystemen zijn gebruikt om schommelingen te dempen en meer stabiliteit te bieden in geval van piekvraag. Vanuit een ander perspectief kunnen off-the-grid opslagsystemen zeer nuttig zijn om onvoorziene technische storingen in het elektriciteitsnet of tijdens geplande onderhoudsperioden te compenseren. Ze kunnen aan de stroombehoefte voldoen zonder naar alternatieve energiebronnen te hoeven zoeken. Men kan bijvoorbeeld de ijsstorm in Texas begin februari 2023 noemen, waardoor ongeveer 262.000 mensen zonder stroom kwamen te zitten, terwijl reparaties werden uitgesteld vanwege de moeilijke weersomstandigheden.

Elektrische voertuigen zijn een andere toepassing. Onderzoekers hebben veel moeite gestoken in het optimaliseren van de productie van batterijen en de oplaad-/ontlaadstrategieën om de levensduur en vermogensdichtheid van batterijen te verlengen. Lithium-ionbatterijen lopen voorop in deze kleine revolutie en worden op grote schaal gebruikt in nieuwe elektrische auto's, maar ook in elektrische bussen. Betere batterijen kunnen in dit geval leiden tot meer kilometers, maar ook tot kortere oplaadtijden met de juiste technologieën.

Andere technologische ontwikkelingen, zoals UAV's en mobiele robots, hebben enorm geprofiteerd van de ontwikkeling van batterijen. Daar zijn bewegingsstrategieën en controlestrategieën sterk afhankelijk van de batterijcapaciteit en het geleverde vermogen.

Wat is een BESS

BESS of Battery Energy Storage System is een energieopslagsysteem dat gebruikt kan worden om energie op te slaan. Deze energie kan afkomstig zijn van het hoofdnet of van duurzame energiebronnen zoals windenergie en zonne-energie. Het bestaat uit meerdere batterijen die in verschillende configuraties (serie/parallel) zijn gerangschikt en waarvan de afmetingen zijn afgestemd op de vereisten. Ze zijn aangesloten op een omvormer die wordt gebruikt om de gelijkstroom om te zetten in wisselstroom voor gebruik. Abatterijbeheersysteem (BMS)wordt gebruikt om de toestand van de accu en het opladen/ontladen te bewaken.

Vergeleken met andere energieopslagsystemen zijn ze bijzonder flexibel te plaatsen/aan te sluiten en vereisen ze geen zeer dure infrastructuur, maar brengen ze toch aanzienlijke kosten met zich mee en vereisen ze regelmatiger onderhoud op basis van het gebruik.

BESS maatvoering en gebruiksgewoonten

Een cruciaal punt dat moet worden aangepakt bij het installeren 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 kostenbesparingen en efficiëntie

Dit gebeurt van geval tot geval, 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 doorgaans rekening met het gemiddelde energieverbruik van het huishouden en beoordeelt de zonnestraling over het jaar voor de specifieke locatie. Het aantal batterijen en hun netconfiguratie is gekozen om te voldoen aan de behoeften van het huishouden tijdens de laagste zonne-energievoorziening van het jaar, zonder dat de batterijen volledig leeglopen. Hierbij wordt uitgegaan van een oplossing waarbij volledige stroomonafhankelijkheid van het hoofdnet mogelijk is.

Het behouden van een relatief gematigde oplaadstatus of het niet volledig ontladen van de batterijen is iets dat in eerste instantie misschien contra-intuïtief is. Waarom zouden we tenslotte een opslagsysteem gebruiken als we het volledige potentieel ervan niet kunnen benutten? In theorie is het mogelijk, maar het is misschien niet de strategie die het rendement op de investering maximaliseert.

Een van de belangrijkste nadelen van BESS zijn de relatief hoge kosten van batterijen. Daarom is het essentieel om een gebruiksgewoonte of een oplaad-/ontlaadstrategie te kiezen die de levensduur van de batterij maximaliseert. Loodzuurbatterijen kunnen bijvoorbeeld niet onder de 50% capaciteit worden ontladen zonder onomkeerbare schade op te lopen. Lithium-ionbatterijen hebben een hogere energiedichtheid en een lange levensduur. Ze kunnen ook worden ontladen met een groter bereik, maar dit gaat gepaard met een hogere prijs. Er is een groot verschil in kosten tussen verschillende chemische stoffen; loodzuurbatterijen kunnen honderden tot duizenden dollars goedkoper zijn dan een lithium-ionbatterij van hetzelfde formaat. Dit is de reden waarom loodzuurbatterijen het meest worden gebruikt in zonne-energietoepassingen in derdewereldlanden en arme gemeenschappen.

De prestaties van de batterij worden tijdens de levensduur sterk beïnvloed door degradatie; de batterij levert geen stabiele prestaties die eindigen met een plotselinge storing. In plaats daarvan kunnen de beschikbare capaciteit geleidelijk afnemen. In de praktijk wordt de levensduur van een batterij geacht te zijn verstreken wanneer de capaciteit 80% van de oorspronkelijke capaciteit bereikt. Met andere woorden, wanneer er een capaciteitsvervaging van 20% optreedt. In de praktijk betekent dit dat er minder energie geleverd kan worden. Dit kan van invloed zijn op de gebruiksperioden van volledig onafhankelijke systemen en op het aantal kilometers dat een EV kan afleggen.

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

Dit is de reden waarom bedrijven betere batterijmonitoringsoftware (BMS) hebben ontwikkeld om het batterijgebruik te controleren, maar ook om de gezondheidstoestand te monitoren om tijdig onderhoud te kunnen bieden en verergerende gevolgen te voorkomen.

Conclusie

Energieopslagsystemen op het elektriciteitsnet bieden een geweldige mogelijkheid om stroomonafhankelijkheid van het hoofdnet te bereiken, maar bieden ook een back-upstroombron tijdens stilstand en piekbelastingsperioden. Hun ontwikkeling zou de verschuiving naar groenere energiebronnen vergemakkelijken, waardoor de impact van energieopwekking op de klimaatverandering zou worden beperkt en toch aan de energiebehoeften zou worden voldaan bij een constante groei van het verbruik.

Energieopslagsystemen op batterijen worden het meest gebruikt en zijn het gemakkelijkst te configureren voor verschillende dagelijkse toepassingen. Hun hoge flexibiliteit wordt gecompenseerd door relatief hoge kosten, wat leidt tot de ontwikkeling van monitoringstrategieën om de respectieve levensduur zoveel mogelijk te verlengen. Momenteel doen de industrie en de academische wereld veel moeite om de degradatie van batterijen onder verschillende omstandigheden te onderzoeken en te begrijpen.