De inzet van batterijen: kostenbesparing, uitstootvermindering of allebei?

20

P_load P_ch P_disch P_grid

= vermogen elektriciteitsverbruik huishouden = vermogen opladen batterij = vermogen ontladen batterij = vermogen op het net

De inzet van batterijen: kostenbesparing, uitstootvermindering, of allebei?

Het is het hete hangijzer van de energietransitie: de afweging tussen kosten en CO2-uitstoot. In de september jongstleden verschenen ‘Balans van de Leefomgeving’ van het PBL wordt het opnieuw benadrukt: een overgrote meerderheid van de bevolking steunt de verdere vergroening van het beleid. Echter, de schoen wringt als hier invulling aan moet worden gegeven, en dan met name wat betreft de kosten: een meerderheid vindt de kosten van de energietransitie voor de samen­ leving te hoog.

Dit artikel gaat in op de afweging tussen het verminderen van CO2-uitstoot en kosten verkennen, en op no regret-opties: mogelijkheden om zowel kosten als emissies te besparen. Meer specifiek gaat het in op hoe de flexibiliteit van batterijen (zowel stationaire als die in elektrische auto’s) hiertoe kunnen bijdragen.

DOOR WOUTER SCHRAM

WIND & ZON - NR.4 2020

H

et gebruik van batterijen zit in de lift. Waar de relatief lichte lithium-ion batterijen in eerste instantie vooral in de consumentenelectronica werden ingezet, is de schaal inmiddels vergroot naar batterijen in elektrische auto’s en soms zelfs hele batterijparken.

Dit past in de trend van het alsmaar belangrijker worden van flexibiliteit in het energiesysteem. Door de inpassing van de variabele stroomopwekking uit zon en wind en opkomende uitfasering van fossiele centrales wordt het in balans houden van vraag en aanbod een steeds grotere uitdaging.

Waar dit traditioneel alleen aan de aanbodkant plaatsvond (met name het op- of afregelen van gascentrales), verschuift de aandacht tegenwoordig naar de vraagkant. Hierin kunnen bijvoorbeeld elektrische auto’s een rol spelen: deze staan vaak veel langer aan de laadpaal dan nodig is om de batterij op te laden.

Door het laadproces te sturen kunnen elektrische auto’s dus worden ingezet

21 om bij te dragen aan het energiesysteem als geheel.

Het ‘slim’ laden van batterijen gebeurt door het laadproces te optimaliseren met behulp van programmeertechnieken en de rekenkracht van een computer.

Dit houdt kortweg in dat een computer een set van toegestane inputwaarden kiest die leidt tot de laagste uitkomst van een bepaalde formule. Toegestane input­waarden kunnen worden beperkt, bijvoorbeeld door als beperking te for­ muleren dat een elektrische auto op een bepaald tijdstip volledig geladen moet zijn. Optimalisatietechnieken kunnen veel toepassingen hebben. Een voor­beeld zijn navigatie-applicaties, die reis­tijd mini­maliseren, rekening houdend met geldende restricties binnen het verkeer.

Optimalisatie kan ook gebruikt worden om geld te verdienen met flexibiliteit.

In het promotie-onderzoek When the sun goes down - Solar energy storage in the neighborhood zijn deze opties verkend voor energie-opslag.

In het onderzoek is gekeken naar drie situaties: de buurtbatterij, slim laden van een vloot elektrische auto’s, en vehicleto-grid (V2G).

“Met het slim laden van elektrische auto's kan wel daadwerkelijk winst gemaakt worden.”

Elke dag worden prijzen van elektriciteit per uur vastgesteld door vraag en aanbod te matchen op de groothandelmarkt (spotmarkt). Door een batterij op te laden op goedkope momenten en te onladen op dure momenten, kan een geoptimaliseerde buurtbatterij de kosten van inkoop van elektriciteit op de deze markt met een kleine dertig procent verlagen. Let wel, dit gaat enkel om de kosten gemaakt voor inkoop op de spotmarkt, wat slechts een klein deel van de elektriciteitsrekening vertegenwoor-

Emissieprofielen

V

olgens cijfers van het CBS werd in 2018 per geproduceerde kilowattuur elektriciteit 428 gram CO2 uitgestoten. Echter, de ene kilowattuur is de andere niet.

De uitstoot van elektriciteitsproductie is niet constant, maar fluctueert gedurende de dag. Dit is afhankelijk van het variabele karakter van de productie van wind- en zonnestroom, maar ook van de relatieve inzet van kolen- en gascentrales.

De aandacht voor emissieprofielen neemt toe. Zo laat de website elec­tricity­map.org realtime zien wat de uurlijkse emissies zijn van zo ongeveer alle landen in de EU. Grofweg zijn er twee methodes

om emissieprofielen op te stel­len.

De eerste is per uur het gewogen gemiddelde nemen van de CO2-­ uitstoot van alle elektri­ci­teits­ productie in een land. De emissie­ factor is dan relatief laag in uren met een groot aandeel wind- en zonnestroom, en hoog in uren met een groot aandeel kolenstroom.

De tweede methode behelst zogenaamde marginale emissie­ factoren. In deze methode wordt van elk uur bepaald welke centrale de marginale (of prijs-zettende) elektriciteitscentrale is. Op momen­ ten dat de vraag naar elek­triciteit verandert, zal dat in eerste instantie gevolgen hebben voor deze centrale.

De marginale emissie­factor is de

emissiefactor van deze marginale elektriciteits­centrale.

Voordeel van deze methode is dat het de realiteit van het energiesysteem goed reflecteert. Een nadeel is dat het lastig kan zijn om de marginale elektriciteitscentrale vast te stellen.

Voor het onderzoek is met name gewerkt met deze marginale emissie­profielen. Deze is door de onderzoekers zelf geconstrueerd.

Echter valt moeilijk vast te stellen hoe accuraat deze opgestelde pro­ fielen zijn. TenneT zou als trans­ missienetbeheerder een belang­ rijke rol kunnen spelen in het creëren van meer transparantie over deze profielen.

WIND & ZON - NR.4 2020

22 digt. De anderhalve cent per kWh die je als consument op deze manier kunt besparen is bij lange na niet genoeg om de investering in een buurtbatterij terug te verdienen.

Met het slim laden van elektrische auto’s kan wel daadwerkelijk winst gemaakt worden: slim laden kan de gemiddelde kosten van de inkoop van elekticiteit van elektrische auto’s verlagen van 6,4 cent per kWh naar 5,0 cent per kWh. Hierbij moet echter opgemerkt worden dat dit het theoretische potentieel is, uitgaande van perfecte kennis over de laadvraag en connectietijd van de elektrische auto.

In het geval van V2G (Vehicle to Grid), wat inhoudt dat de auto ook kan terugleveren aan het net, kunnen de gemiddelde kosten verder worden verlaagd naar 4,3 cent per kWh.

“Vehicle to grid kan een emissiereductie van 67 procent bewerkstelligen.”

Dergelijke besparingen kunnen voor grote energieleveranciers zeer interessant zijn. Je kunt je echter afvragen of de eigenaar van een elektrische auto hier heel warm van wordt. De ANWB gaat uit van een gemiddeld laadtarief voor elektrische auto’s van 41 cent per kWh. In het beste geval kan er met V2G 2,1 cent per kWh bespaard worden, slechts zo’n 5 procent dus.

Daarom is in het onderzoek verder gekeken dan alleen de euro’s. Zo is ook de CO2-uitstoot gekoppeld aan de inkoop van elektriciteit geoptimaliseerd.

Dit werkt op een vergelijkbare manier als de kostenoptimalisatie: batterijen worden opgeladen met elektriciteit met een zo laag mogelijke emissiefactor en ontladen op momenten wanneer het systeem veel CO2 uitstoot (zie kader).

WIND & ZON - NR.4 2020

Promotieonderzoek

I

n zijn promotieonderzoek When the sun goes down - Solar energy storage in the neighborhood werkte promovendus Wouter Schram samen met collega’s Nico Brinkel en Tarek AlSkaif, en (co)promotoren Loannis Lampropoulos en Wilfried van Sark.

Daarvoor moesten de onderzoekers eerst emissieprofielen construeren (zie het kader op de vorige pagina). Op deze manier kan een buurtbatterij maar liefst 57 pro­cent van de aan elektriciteit gerelateerde uit­stoot van een wijk verminderen. In tegen­stelling tot het economische verhaal is dit wel een ‘busi­ ness case’, met een CO2-terugverdien­tijd van minder dan twee jaar. Slim laden op basis van emissie-minimalisatie leidt tot een reductie van de transportemissies van 24 procent. Dit komt nog bovenop de reductie die al behaald wordt door het overstappen van een benzine-auto naar een elektrische auto. V2G kan een emissie­reductie van 67 procent bewerkstelligen.

Het nadeel van het minimaliseren van CO2 is dat de kosten toenemen. Dit komt het model duurdere gascentrales prefereert boven kolencentrales voor het opladen van de batterij. Het goede nieuws is dat er ook een middenweg blijkt te zijn: het besparen van zowel kosten als CO2. Dit kan door bepaalde kosten als beperking te zetten in je optimalisatiemodel, en vervolgens te minimaliseren op emissies.

Zie de figuren hierboven. In de zogenaamde pareto frontier: de range van optimale oplossingen, is een aantal opties te zien waarin zowel kosten als emissies worden bespaard: linksonder de groene referentiepunten (gebied aan-

23 << Figuur 1, linkerpagina.

De Pareto frontier van het optimaliseren van een buurtbatterij met twee doelen: kostenbesparing en uitstootvermindering.

De Pareto geeft een range van optimale oplossingen weer; oplossingen linksonder de Pareto zijn niet mogelijk.

Figuur 2, rechts >> De Pareto frontier van het optimaliseren van het laadproces van elektrische auto's met twee doelen: kostenbesparing en uitstootvermindering. Slim laden is unidirectioneel, terwijl bij vehicle-to-grid ook het terugvoeden van elektriciteit in het net mogelijk is (bidirectioneel)

gegeven met de stippellijnen). Dit soort algo­ritmes nu toepassen zorgt vooral voor een verplaatsing van kolencentrales naar gascentrales. In de toekomst, als de productie van wind- en zonnestroom de elektriciteitsvraag kan overstijgen, kunnen dezelfde algoritmes gebruikt worden om vraag te verplaatsen van fossiele centrales naar zon en wind.

Deze stroom inzetten voor het opladen van batterijen van elektrische auto’s is bovendien een veel efficiëntere toepassing van je overschotten aan duurzame energie dan het omzetten naar waterstof.

Is dit allemaal nog toekomstmuziek?

Aggregators als Jedlix bieden nu al aan je auto slim op te laden om geld te besparen. Het blijft de vraag of je mensen over de streep trekt met de paar cent per kilowattuur die je zo kan besparen. Maar aangezien de optimalisatie nu ook weer niet zó complex is, kan het best een idee zijn om de keuze aan de consumenten zelf te laten: wilt u zo goedkoop mogelijk laden, zo duurzaam mogelijk, of iets daar tussenin?

Een bijkomend voordeel van derge­ lijke innovaties is dat we het systeem

nu al inrichten op een toekomst waarin het aanbod aan zonne- en windstroom groter is dan de vraag. Op zulke momenten kan je deze bronnen afschakelen – maar zou het niet veel

mooier zijn de flexibiliteit van elektrische auto’s in te zetten om deze pieken te accomoderen? Op die manier gaan het verminderen van kosten en CO2-uitstoot steeds meer hand in hand.

Bronnen Schram, W. L., AlSkaif, T., Lampropoulos, I., Henein, S., & Sark, W. G. J. H. M. Van. (2020). On the trade-off between Environmental and Eco­ nomic Objectives in Community Energy Storage Operational Optimiza­ tion. IEEE Transactions on Sustainable Energy. https://doi.org/10.1109/ TSTE.2020.2969292 Brinkel, N. B. G., Schram, W. L., AlSkaif, T. A., Lampropoulos, I., & Sark, W. G. J. H. M. van. (2020). Should we reinforce the grid ? Cost and emis­ sion optimization of electric vehicle charging under different transformer limits. Applied Energy, 276(October). https://doi.org/10.1016/j.apener­ gy.2020.115285 Schram, W. L., Lampropoulos, I., Alskaif, T., & Sark, W. Van. (2019).

On the Use of Average versus Marginal Emission Factors. In 8th Inter­ national Conference on Smart Cities and Green ICT Systems (SMART­ GREENS 2019) (pp. 187–193). Heraklion: SciTePress. https://doi. org/10.5220/0007765701870193

WIND & ZON - NR.4 2020