Batterijopslag in bedrijven: Waar moeten we

Batterijopslag in bedrijven: waarop moeten we letten?

Het energielandschap in Vlaanderen werd de afgelopen decennia getekend door de opkomst van decentrale energiebronnen. Het variabel en meer flexibel verbruik van elektriciteit uit zon en wind zal in de toekomst moeten resulteren in een verhoogd elektriciteitsverbruik uit hernieuwbare bronnen. De zoektocht om on-site een goede balans tussen belastingen, decentrale bronnen en energieverbruikers te bekomen is van essentieel belang voor een optimale energiehuishouding, zowel bij de residentiële eindverbruiker als in de industriële sector.

Zoals kan opgemerkt worden in figuur 1 is er een heel divers aanbod van energieopslagsystemen die in een industriële omgeving kunnen gebruikt worden, elk met hun specifieke eigenschappen. Er zijn echter maar weinig van deze technologische oplossingen die op vandaag al geïntegreerd worden in de bedrijfswereld. De meest gekende en deze die de hoogste verwachtingen schept, is de integratie van batterijopslag die de laatste jaren sterk geëvolueerd is naar een soort allround oplossing. Echter kunnen andere systemen (vb. supercapaciteiten) of een combinatie van diverse opslagsystemen (hybride systemen) zeker ook een meerwaarde vormen in het verder optimaliseren van de zelfconsumptie in functie van de variabiliteit van het bedrijfsverbruiksprofiel. In dit artikel wordt de focus gelegd op batterijen.

Figuur 1: Bron - https://www.mdpi.com/1996-1073/8/1/172/htm

Kostenplaatje

Momenteel is de financiële aantrekkelijkheid van batterijopslagsystemen beperkt door de onzekerheid inzake toekomstige marktmodellen en tariferingsstructuren. Daarnaast wordt een batterij vaak ingezet met één enkele controlestrategie zoals het verhogen van de zelfconsumptie, vermogenspiekreductie of marktparticipatie. Hierdoor worden batterijopslagsystemen vaak onderbenut. Het combineren van verschillende diensten kan leiden tot een hogere utilisatie van de batterij, wat ten goede komt van de terugverdientijd. In dit document worden niet alle controlestrategieën besproken, maar wordt enkel dieper ingegaan op de optimalisatie van zelfconsumptie en zelfvoorziening. Voor de meeste bedrijven is dat ook de meest voor de hand liggende optimalisatie in combinatie met decentrale energieproductie om zo de energie-uitwisseling met het distributienet te minimaliseren.

Zelfconsumptie en zelfvoorziening

• De zelfconsumptieverhouding (Zc) staat voor het aandeel van de eigen opgewekte energie dat binnen dezelfde installatie ogenblikkelijk verbruikt wordt. Het is de verhouding van het eigenverbruik op de totaal opgewekte decentrale energie. Dat betekent hoe groter de zelfconsumptie, hoe meer decentraal geproduceerde energie er ogenblikkelijk verbruikt wordt en hoe minder energie er geïnjecteerd wordt op het net. De zelfconsumptie-verhouding is dus een indicatie voor het economisch rendement van de decentrale productie-eenheid. • De zelfvoorzieningsverhouding (Zv) staat voor het aandeel van de gevraagde energie die de decentrale productie-eenheid ogenblikkelijk zelf voorziet. Het is de verhouding van de eigenproductie op de totaal gevraagde energie. Dat betekent hoe groter de zelfvoorziening, hoe meer gevraagde energie er ogenblikkelijk geproduceerd wordt en hoe kleiner de energievraag uit het net. De zelfvoorzieningsverhouding is dus een indicatie voor de netonafhankelijkheid en de energiekosten van de installatie.

Het integreren van een batterij in de installatie zorgt voor een stijging van de zelfconsumptie -en zelfvoorzieningsverhouding. Indien de decentrale productie-eenheid meer energie opwekt dan de installatie ogenblikkelijk verbruikt wordt de batterij opgeladen. De opgeslagen energie wordt vervolgens gebruikt om de last te voeden op een moment van productietekort.

Invloed van batterijopslag

Zoals u kan opmerken zal zowel de zelfconsumptie evenals de zelfvoorziening stijgen door de integratie van batterijopslag.

Zelfconsumptie

5.0 kWh/MWh

Figuur 2: Zelfconsumptie en zelfvoorziening bij variërende opbrengst/verbruiksverhouding (x-as) en verschillende batterijopslagcapaciteiten, gaande van 0 tot 5 kWh opslagcapaciteit per MWh verbruik

Zelfvoorziening 1.0 kWh/MWh

0 kWh/MWh

5.0 kWh/MWh 1.0 kWh/MWh 0 kWh/MWh

Figuur 2: Zelfconsumptie en zelfvoorziening bij variërende opbrengst/verbruiksverhouding (x-as) en verschillende batterijopslagcapaciteiten, gaande van 0 tot 5 kWh opslagcapaciteit per MWh verbruik

Zonder batterijopslag (blauwe lijnen) blijft voor een typische Hou er rekening mee dat, als men batterijen wil integreren in residentiële installatie de zelfconsumptie en zelfvoorziening Invloed van batterijopslag combinatie met zonnepanelen, ook bij het merendeel van de steken op ± 30%. Door de integratie van een ideale batteri-Zoals u kan opmerken zal de zowel de zelfconsumptie evenals de zelfvoorziening stijgen door de bedrijven een kleine opslagcapaciteit zal leiden tot een sterke jopslag (1kWh/MWh – Rode lijnen) zal de zelfconsumptie en integratie van batterijopslag. Zonder batterijopslag (blauwe lijnen) blijft voor een typische stijging van zowel de zelfconsumptie als de zelfvoorziening. Een zelfvoorziening bijna verdubbelen. Een te grote opslagcapaciteit residentiële installatie de zelfconsumptie en zelfvoorziening steken op ± 30%. Door de integratie van te groot batterij-opslagsysteem zal hier dus ook geen meerwaarbiedt hier geen meerwaarde door de te hoge investeringskost een ideale batterijopslag (1kWh/MWh – Rode lijnen) kan zal de zelfconsumptie en zelfvoorziening de betekenen voor deze beoogde controlestrategie. versus de meerwaarde in zelfconsumptie en zelfvoorziening. Ook bijna verdubbelen. Een te grote opslagcapaciteit biedt hier geen meerwaarde door de te hoge een grotere PV-installatie (gele zone) ten opzichte van het jaarlijks investeringskost versus de meerwaarde in zelfconsumptie en zelfvoorziening. Ook een grotere PV-Verschillende batterijsystemen verbruik biedt geen meerwaarde voor een optimalisatie van de installatie (gele zone) ten opzichte van het jaarlijks verbruik biedt geen meerwaarde voor een zelfconsumptie en zelfvoorziening. optimalisatie van de zelfconsumptie en zelfvoorziening. Eenmaal de benodigde batterijcapaciteit werd bepaald, moet Elk bedrijf is andersElk bedrijf is anders het optimaal opslagsysteem gekozen worden. Ook dit is geen evidente keuze op vandaag gezien het grote aanbod aan batterijVoor bedrijven worden hier bewust geen richtwaardes van Zc types met hun kenmerken weergegeven: en Zv gegeven omwille van de variabiliteit van de profielen. en die op de markt zijn. In tabel 1 worden de meest gekozen Hiervoor moet dus de verbruiks- en opbrengstprofielen van Karakteristieken Loodzuur batterij Li-ion batterij Flow batterij het bedrijf geanalyseerd worden en kan zo een ideale batterijcapaciteit bepaald worden. Om een inschatting mogelijk te maken voor een bedrijf, kan men via de door de EELab/Lemckobedrijven worden hier bewust geen richtwaardes van Zc en Zv gegeven omwille van de variabiliteit van de profielen. Hiervoor moet dus de verbruiks- en opbrengstprofielen van het bedrijf geanalyseerd worden en kan zo een ideale batterijcapaciteit bepaald worden. Om een inschatting Vermogensrange [MW] Opslag duur Zelfontlading [%] 0,001-100 Minuten - Uren 0,1 - 0,3 % 0,001-100 Minuten - Uren 0,1 - 0,3 % 1 – 100 2 – 10 uur 0,2 % onderzoeksgroep ontwikkelde simulator https://www.ugent.be/mogelijk te maken voor een bedrijf, kan men via de door de EELab/Lemcko-onderzoeksgroep Energie dichtheid [Wh/l] 50 – 80 200 – 400 20 – 70 ea/eemmecs/lemcko/nl/meten/rekentools) een eerste inschatting ontwikkelde simulator https://www.ugent.be/ea/eemmecs/lemcko/nl/meten/rekentools) een eerste Vermogensdichtheid [W/l] 90 – 700 1.300 - 10.000 0,5 – 2 maken en berekenen wat voor het specifieke bedrijfsprofiel de inschatting maken en berekenen wat voor het specifieke bedrijfsprofiel de optimale mix van Efficiëntie [%] 80 – 90 85 – 98 60 – 85 optimale mix van hernieuwbare energie en energieopslag wordt. hernieuwbare energie en energieopslag wordt. Response time [ms] > sec 10 - 20 10 - 20 Cycli 1000 1000-10.000 12.000-14.000 *DoD [%] 50 80 100 Kostprijs [€] 100 - 200 500 - 700 400 - 700

Tabel 1: Vergelijking tussen verschillende batterijopslagsystemen

Zoals u ziet, wordt een batterij gekenmerkt door veel subparameters die men in rekening moet brengen om de levensduur te optimaliseren. Één van de belangrijkste parameters voor de investering in batterijopslag is natuurlijk de prijs. Volgens Bloomberg is de batterijprijs de laatste jaren even sterk gedaald als de prijs voor PV-installaties (85% sinds 2010). Het blijft echter wel nog steeds een grote investering indien de volledige installatie (batterijopslag, invertors, veiligheidsaspecten,…) moet geïntegreerd worden in een bedrijf. Op vandaag schommelt deze voor een volledige installatie rond de 1000 euro/kWh opslagcapaciteit voor een gemiddelde installatie. Gelukkig wordt verwacht dat de kost van de batterijen ook in de toekomst verder zal blijven afnemen. Daarnaast kan, door de stijgende integratie

Een andere factor die men moet in rekening brengen is de C-rate van de batterij. Deze parameter is 28 TECHNISCHE INFO een maat voor de laad- of ontlaadstroom ten opzichte van de maximale capaciteit. Dus afhankelijk van de gekozen batterij, zal deze beter of minder goed kunnen omgaan met hoge op- of Cycli 1000 1000-10.000 12.000-14.000 ontlaadstromen. Op de kenplaat van de batterij wordt meestal de C20 capaciteit meegegeven. Dit is *DoD [%] 50 80 100 dus de capaciteit die men verkrijgt als men gedurende 20 uur aan een bepaalde stroom zal ontladen van elektrische voertuigen in het landschap, ook deze EV-batterij (die na verloop van tijd een te lage autonomie bereikt voor het Kostprijs [€] 100 - 200 500 - 700 400 - 700 aangekochte batterij kortstondig pieken moet leveren, dan zal, afhankelijk van de gekozen batterijtechnologie de mogelijkheid (vb. C20 = 100Ah betekent 5A ontlading gedurende 20u). Merk hierbij op dat deze bepaling niet lineair mag doorgerekend worden. (vb. 100Ah is 5A in 20u, maar niét 100A in 1u, hier zal een elektrisch voertuig), wel nog een 2de leven gegeven worden in stationaire toepassingen. Naast de prijs, is het natuurlijk het doel bij de integratie van Zoals u ziet, wordt een batterij gekenmerkt door veel subparameters die men in rekening moet brengen om de levensduur te optimaliseren. Één van de belangrijkste parameters voor de investering in batterijopslag is natuurlijk de prijs. ontstaan dat de beschikbare energie die dezelfde batterijbank kan leveren, ook zal dalen. Hou bij de aankoop van de batterij dus rekening met de C-rate. verlaagde capaciteit verkregen worden) . Als er echter verwacht wordt dat de aangekochte batterij kortstondig pieken moet leveren, dan zal, afhankelijk van de gekozen batterijtechnologie de mogelijkheid ontstaan dat de beschikbare energie die dezelfde batterijbank kan leveren, ook zal dalen. Hou bij de aankoop van de batterij dus rekening met de C-rate. batterijopslag om de levensduur zoveel mogelijk te optimaliseVolgens Bloomberg is de batterijprijs de laatste jaren even sterk gedaald als de prijs voor PVren. Een eerste belangrijke knoop die hiervoor moet doorgehakt installaties (85% sinds 2010). Het blijft echter wel nog steeds een grote investering indien de volledige installatie (batterijopslag, invertors, veiligheidsaspecten,…) moet geïntegreerd worden in worden is wat men verwacht van de batterij. Moet deze kortstoneen bedrijf. Op vandaag schommelt deze voor een volledige installatie rond de 1000 euro/kWh dig een hoog vermogen leveren of kan deze gedurende langere opslagcapaciteit voor een gemiddelde installatie. Gelukkig wordt verwacht dat de kost van de termijn stelselmatig ontladen of opladen. Het opmeten van het batterijen ook in de toekomst verder zal blijven afnemen. Daarnaast kan, door de stijgende integratie van elektrische voertuigen in het landschap, ook deze EV-batterij (die na verloop van tijd een te lage verbruiks- en opbrengstprofiel van het bedrijf is hier dan ook autonomie bereikt voor het elektrisch voertuig), wel nog een 2de leven gegeven worden in essentieel om een correcte inschatting te kunnen doen wat er stationaire toepassingen. verwacht wordt van de opslagcapaciteit. Naast de prijs, is het natuurlijk het doel bij de integratie van batterijopslag om de levensduur zoveel mogelijk te optimaliseren. Een eerste belangrijke knoop die hiervoor moet doorgehakt worden is wat Er dient ook rekening gehouden te worden met de tijdsinterval men verwacht van de batterij. Moet deze kortstondig een hoog vermogen leveren of kan deze van de verkregen data. Als de data uitgemiddeld wordt over een gedurende langere termijn stelselmatig ontladen of opladen. Het opmeten van het verbruiks- en kwartier kan ook hier een verkeerde inschatting gemaakt worden opbrengstprofiel van het bedrijf is hier dan ook essentieel om een correcte inschatting te kunnen doen wat er verwacht wordt van de opslagcapaciteit. omtrent de performanties van de batterijopslagcapaciteit en van de batterij. Deze parameter is een maat voor de laad- of de kenplaat van de batterij wordt meestal de C20 capaciteit = 100Ah betekent 5A ontlading gedurende 20u). Merk hierbij op dat deze bepaling niet lineair mag doorgerekend worden. (vb. 100Ah is 5A in 20u, maar niét 100A in 1u, hier zal een verlaagde capaciteit verkregen worden). Als er echter verwacht wordt dat de worden hoge piekstromen niet in rekening gebracht. Figuur 3 Er dient ook rekening gehouden te worden met de tijdsinterval van de verkregen data. Als de data toont dan ook duidelijk het belang van korte termijn data.uitgemiddeld wordt over een kwartier kan ook hier een verkeerde inschatting gemaakt worden omtrent de performanties van de batterijopslagcapaciteit en worden hoge piekstromen niet in Figuur 5: Ontlaadstroom versus Figuur 5: Ontlaadstroom versus ontlaadtijd ontlaadtijd rekening gebracht. Figuur 3 toont dan ook duidelijk het belang van korte termijn data. Batterijcapaciteit Veelal spreekt men ook van een effectieve en een werkelijke batterijcapaciteit. De Depth Batterijcapaciteit -ofdischarge (DoD) vertelt hoe diep je een bepaalde batterij mag ontladen. Voor Li-ion batterijen spreekt men meestal van 80%, terwijl loodzuurbatterijen dikwijls maar 50% mogen ontladen worden. Veelal spreekt men ook van een effectieve en een werkelijke batAls de batterij dan toch dieper zou ontladen worden, zal dit een sterke daling van het totaal aantal terijcapaciteit. De Depth-of-discharge (DoD) vertelt hoe diep je cycli veroorzaken. een bepaalde batterij mag ontladen. Voor Li-ion batterijen spreekt Een andere parameter die men moet in rekening brengen is de zelfontlading. men meestal van 80%, terwijl loodzuurbatterijen dikwijls maar Voor de meeste batterijen is deze parameter iets minder van belang, mits deze relatief beperkt (vb. Li 50% mogen ontladen worden. Als de batterij dan toch dieper -ion = 5% in 24 uur, vanaf dan 1 à 2% per maand) is in vergelijking met andere opslagsystemen zoals zou ontladen worden, zal dit een sterke daling van het totaal supercapaciteiten. Batterijen kunnen dus voor langere tijd elektriciteit opslaan zonder dat de aantal cycli veroorzaken. Een andere parameter die men moet in beschikbare capaciteit snel zal dalen. De zelfontlading zal wel toenemen naarmate de batterij ouder rekening brengen is de zelfontlading. Voor de meeste batterijen wordt. is deze parameter iets minder van belang, mits deze relatief Ook de temperatuur speelt een belangrijke rol in het optimaal te behalen cycli. Batterijen bereiken beperkt (vb. Li-ion = 5% in 24 uur, vanaf dan 1 à 2% per maand) is Figuur 4: Invloed van tijdsresolutie bij het bepalen van de opslagcapaciteit Figuur 4: Invloed van tijdsresolutie bij het bepalen van de opslagcapaciteit een optimale levensduur bij een temperatuur van 20°C. Wijkt de temperatuur af, dan zal terug het aantal cycli van de batterijbank dalen. Hoe groter de temperatuurafwijking hoe sterker de cycli zullen gereduceerd worden. in vergelijking met andere opslagsystemen zoals supercapaciteiten. Batterijen kunnen dus voor langere tijd elektriciteit opslaan zonder dat de beschikbare capaciteit snel zal dalen. De zelfontlading zal wel toenemen naarmate de batterij ouder Algemeen kan geconcludeerd worden, dat als men werkt met wordt. Ook de temperatuur speelt een belangrijke rol in het kwartierdata i.p.v. seconde data voor de bepaling van de correcte optimaal te behalen cycli. Batterijen bereiken een optimale opslagcapaciteit, er een sterke onderbenutting van de aantal levensduur bij een temperatuur van 20°C. Wijkt de temperatuur cycli gemaakt wordt, wat inherent met zich meebrengt dat het af, dan zal terug het aantal cycli van de batterijbank dalen. aantal cycli in werkelijkheid een stuk hoger zal liggen. Daarnaast Hoe groter de temperatuurafwijking hoe sterker de cycli zullen zal kwartierdata leiden tot een kleine overschatting van de gereduceerd worden. Daarnaast kunnen nog andere randfactoren zelfconsumptie en zelfvoorziening van het opslagsysteem. Dit een rol spelen in de totale levensduur van de batterij. Dit alles alles is natuurlijk terug sterk afhankelijk van de variabiliteit van het zal voornamelijk geregeld worden door het batterij management verbruiks- en opbrengstprofiel van het bedrijf in kwestie. systeem (BMS). Deze zal zo geconfigureerd worden dat bepaalde Een andere factor die men moet in rekening brengen is de C-rate seerd kan worden. ontlaadstroom ten opzichte van de maximale capaciteit. Dus Conclusie? Het mag duidelijk zijn dat de integratie van opslagsysafhankelijk van de gekozen batterij, zal deze beter of minder temen toch wel enige voorstudie vereist vooraleer men deze op goed kunnen omgaan met hoge op- of ontlaadstromen. Op de site zal kunnen installeren. meegegeven. Dit is dus de capaciteit die men verkrijgt als men  Jurgen Van Ryckeghem gedurende 20 uur aan een bepaalde stroom zal ontladen (vb. C20 Docent & onderzoekscoördinator Energiemanagement Howest limieten niet overschreden worden en de levensduur geoptimali-

Nieuwe Rittal AX behuizingen in kunststof voor outdoor en agressieve omgevingen

Met de ontwikkeling van de nieuwe AX behuizingen in kunststof combineert Rittal het beste van twee werelden: de voordelen van een uitgekiende systeemtechniek en die van een uiterst robuust materiaal. De AX kunststof beschermt de elektronische componenten in de zwaarste buitenomstandigheden, maakt een snelle uitbreiding mogelijk dankzij nieuwe montagefuncties en creëert met de slimme systeemtechniek meer ruimte voor de installatie.

De nieuwe AX wandkasten in kunststof vervangen de vorige KS serie. De ontwikkeling is gebaseerd op de Rittal systeemtechniek voor plaatstalen en roestvrijstalen behuizingen, waarmee de productieprocessen in de besturings- en schakelkastbouw aanzienlijk vereenvoudigd en versneld kunnen worden. Voor het eerst zijn nu ook kunststof behuizingen met deze techniek uitgerust. Dit betekent dubbele winst voor bordenbouwers: het resultaat is immers een behuizing die maximale vereenvoudiging, snelheid en ontwerpvrijheid mogelijk maakt en tegelijkertijd voldoet aan alle eisen op het vlak van maximale beveiliging en robuustheid.

Of de behuizing nu veilig beschermd in fabriekshallen opgesteld staat of blootgesteld is aan weer en wind – de nieuwe AX kunststof kan alle extreme omstandigheden aan. Typische toepassingsgebieden zijn afvalwater-/drinkwaterinstallaties en fotovoltaische systemen, maar ook agressieve omgevingen zoals maritieme toepassingen en algemene toepassingen in open lucht.

Betere beveiliging

De nieuwe behuizingen zijn dankzij de uitvoering in glasvezelversterkte kunststof met een zeven maal hogere UV-bestendigheid perfect geschikt voor buitenopstellingen. Ze hebben dan ook een UL F1-outdoorclassificatie (UL 746C) gekregen. Een geïntegreerde beschermingsstrip aan de boven- en onderzijde van de deur beschermt de afdichting tegen stof en regenwater en zorgt voor een dubbele afdichting van de behuizing. De isolatie van klasse II, tot 1000 V AC, zorgt dan weer voor een verhoogde persoonlijke bescherming. De AX wandkasten bestaan in een beschermingsniveau tot IP 66 of NEMA 4X.

Meer efficiëntie

Het uitgekiende concept van de behuizing biedt installateurs al van in het begin voordelen. Dankzij de talrijke montagepunten kunnen ze sneller werken. Deze maken immers een snelle, directe schroefverbinding van toebehoren zoals profielen en rails aan elke binnenzijde en aan de achterwand van de kast mogelijk. De behuizingen zijn volledig afgestemd op Industrie 4.0. Naast  Rittal combineert met de AX behuizing in kunststof het beste van twee werelden: de voordelen van een uitgekiende systeemtechniek en van een uiterst robuust materiaal.

de hoogwaardige 3D-gegevens en de configuratietool van het Rittal Configuration System, die het selectie- en configuratieproces versnellen, vereenvoudigen QR-codes op alle te installeren vlakke onderdelen de integratie in de productieworkflow. Dit maakt vanaf de ontvangst van de goederen tot aan de afgewerkte installatie een digitale opvolging mogelijk.

Meer flexibiliteit

Met de AX behuizingen in kunststof transformeert Rittal voor het eerst een glasvezelversterkt polyester behuizing in een systeemschakelkast - met meer ruimte voor het opbouwen van de binneninrichting. Systeemprofielen en rails kunnen nu met een universele beugel in het 25 mm raster gemonteerd worden. De talrijke montagepunten, zowel in de behuizing als aan de binnenkant van de deur, maken diverse montages mogelijk.

De voorziene inpersmoeren in de achterwand zorgen voor een stabiele bevestiging en montage aan een muur of paal. Wandmontagebeugels kunnen eenvoudig aan de buitenkant van de behuizing met behoud van de UL-goedkeuring bevestigd worden. Optioneel kan de behuizing ook op een muur of machine geschroefd worden.

Rittal biedt haar schakelkastgamma in kunststof in 14 verschillende behuizingsvarianten aan, waarvan zes met en acht zonder kijkvenster.