Het ontwerpen van robuuste energieopslagsystemen: een wereldwijde gids

Energieopslagsystemen (ESS) worden steeds belangrijker in het wereldwijde energielandschap. Ze maken de integratie van hernieuwbare energiebronnen mogelijk, verhogen de stabiliteit van het net, verlagen de energiekosten en bieden noodstroom tijdens storingen. Deze uitgebreide gids verkent de belangrijkste overwegingen bij het ontwerpen van robuuste en effectieve ESS voor diverse toepassingen wereldwijd.

1. De fundamenten van energieopslagsystemen begrijpen

Een ESS is een systeem dat op een bepaald moment geproduceerde energie vastlegt voor later gebruik. Het omvat verschillende technologieën, elk met eigen kenmerken en geschiktheid voor verschillende toepassingen. De fundamentele componenten van een ESS omvatten doorgaans:

Energieopslagtechnologie: De kerncomponent die verantwoordelijk is voor het opslaan van energie, zoals batterijen, vliegwielen of persluchtenergieopslag (CAES).
Power Conversion System (PCS): Zet gelijkstroom (DC) van de opslagtechnologie om in wisselstroom (AC) voor netaansluiting of AC-belastingen, en omgekeerd voor het laden.
Energiebeheersysteem (EMS): Een regelsysteem dat de energiestroom binnen het ESS bewaakt en beheert, de prestaties optimaliseert en een veilige werking garandeert.
Balance of Plant (BOP): Omvat alle andere componenten die nodig zijn voor de werking van het ESS, zoals schakelapparatuur, transformatoren, koelsystemen en veiligheidsuitrusting.

1.1 Gangbare energieopslagtechnologieën

De keuze van de energieopslagtechnologie hangt af van factoren zoals energiecapaciteit, vermogen, reactietijd, cycluslevensduur, efficiëntie, kosten en milieueffecten.

Lithium-ionbatterijen: De meest gebruikte technologie vanwege hun hoge energiedichtheid, snelle reactietijd en relatief lange cycluslevensduur. Geschikt voor een breed scala aan toepassingen, van residentieel tot grootschalig. In Zuid-Australië bijvoorbeeld, gebruikt de Hornsdale Power Reserve (Tesla-batterij) lithium-iontechnologie om netstabilisatiediensten te leveren.
Loodzuurbatterijen: Een volwassen en kosteneffectieve technologie, maar met een lagere energiedichtheid en kortere cycluslevensduur in vergelijking met lithium-ion. Vaak gebruikt voor noodstroom en ononderbroken stroomvoorzieningen (UPS).
Flowbatterijen: Bieden hoge schaalbaarheid en een lange cycluslevensduur, waardoor ze geschikt zijn voor grootschalige toepassingen die langdurige opslag vereisen. Vanadium-redox-flowbatterijen (VRFB's) zijn een veelvoorkomend type. Sumitomo Electric Industries heeft bijvoorbeeld VRFB-systemen geïmplementeerd in Japan en andere landen.
Natrium-ionbatterijen: Komen op als een veelbelovend alternatief voor lithium-ion, met potentieel lagere kosten en hogere veiligheid. Wereldwijd wordt er onderzoek en ontwikkeling naar gedaan.
Vliegwielen: Slaan energie op als kinetische energie in een roterende massa. Bieden zeer snelle reactietijden en een hoge vermogensdichtheid, waardoor ze geschikt zijn voor frequentieregeling en toepassingen voor stroomkwaliteit.
Persluchtenergieopslag (CAES): Slaat energie op door lucht samen te persen en deze vrij te geven om een turbine aan te drijven wanneer dat nodig is. Geschikt voor grootschalige, langdurige opslag.
Pompcentrale (PHS): De meest volwassen en wijdverspreide vorm van energieopslag, waarbij water tussen reservoirs op verschillende hoogtes wordt gepompt. Geschikt voor grootschalige, langdurige opslag.

2. Systeemeisen en doelstellingen definiëren

Voordat men aan het ontwerpproces begint, is het cruciaal om de systeemeisen en doelstellingen duidelijk te definiëren. Dit omvat het overwegen van de volgende factoren:

Toepassing: Is het ESS bedoeld voor residentiële, commerciële, industriële of grootschalige toepassingen?
Geleverde diensten: Welke diensten zal het ESS leveren, zoals piekscheren, lastverschuiving, frequentieregeling, spanningsondersteuning, noodstroom of integratie van hernieuwbare energie?
Energie- en vermogensvereisten: Hoeveel energie moet worden opgeslagen en wat is het vereiste uitgangsvermogen?
Ontladingsduur: Hoe lang moet het ESS stroom leveren bij het vereiste uitgangsvermogen?
Cycluslevensduur: Hoeveel laad-ontlaadcycli worden verwacht gedurende de levensduur van het ESS?
Omgevingscondities: Wat zijn de omgevingstemperatuur, luchtvochtigheid en andere omgevingscondities waarin het ESS zal werken?
Netaansluitingseisen: Wat zijn de normen en vereisten voor netaansluiting in de specifieke regio?
Budget: Wat is het beschikbare budget voor het ESS-project?

2.1 Voorbeeld: Residentieel ESS voor eigen verbruik van zonne-energie

Een residentieel ESS, ontworpen voor eigen verbruik van zonne-energie, heeft tot doel het gebruik van lokaal opgewekte zonne-energie te maximaliseren en de afhankelijkheid van het net te verminderen. De systeemeisen kunnen omvatten:

Energiecapaciteit: Voldoende om overtollige zonne-energie die overdag wordt opgewekt op te slaan voor gebruik 's avonds en 's nachts. Een typisch residentieel systeem kan een capaciteit van 5-15 kWh hebben.
Vermogen: Voldoende om de essentiële belastingen in huis tijdens piekbelasting van stroom te voorzien. Een typisch residentieel systeem kan een vermogen van 3-5 kW hebben.
Ontladingsduur: Lang genoeg om de avond- en nachturen te overbruggen wanneer de zonne-energieopwekking laag of nihil is.
Cycluslevensduur: Hoog genoeg om een lange levensduur te garanderen, aangezien het systeem dagelijks zal worden gecycled.

3. Dimensionering van het energieopslagsysteem

Het dimensioneren van het ESS is een kritieke stap die het bepalen van de optimale energiecapaciteit en het vermogen omvat om aan de gedefinieerde eisen te voldoen. Er moet rekening worden gehouden met verschillende factoren:

Belastingsprofiel: Het typische energieverbruikspatroon van de te bedienen belasting.
Opwekkingsprofiel van hernieuwbare energie: Het verwachte energieopwekkingspatroon van de hernieuwbare energiebron, zoals zon of wind.
Piekvraag: De maximale vermogensvraag van de belasting.
Ontladingsdiepte (DoD): Het percentage van de batterijcapaciteit dat tijdens elke cyclus wordt ontladen. Een hogere DoD kan de levensduur van de batterij verkorten.
Systeemefficiëntie: De algehele efficiëntie van het ESS, inclusief de batterij, PCS en andere componenten.

3.1 Dimensioneringsmethoden

Er kunnen verschillende methoden worden gebruikt om het ESS te dimensioneren, waaronder:

Vuistregels: Gebruik van algemene richtlijnen op basis van typische belastingsprofielen en opwekkingspatronen van hernieuwbare energie.
Simulatiemodellering: Gebruik van softwaretools om de prestaties van het ESS onder verschillende scenario's te simuleren en de grootte te optimaliseren op basis van specifieke vereisten. Voorbeelden zijn HOMER Energy, EnergyPLAN en MATLAB.
Optimalisatiealgoritmen: Gebruik van wiskundige optimalisatiealgoritmen om de optimale grootte te bepalen die de kosten minimaliseert of de voordelen maximaliseert.

3.2 Voorbeeld: Dimensionering van een commercieel ESS voor piekscheren

Een commercieel ESS ontworpen voor piekscheren heeft tot doel de piekbelasting van een gebouw te verminderen, waardoor de elektriciteitskosten dalen. Het dimensioneringsproces kan omvatten:

Analyse van het belastingsprofiel van het gebouw om de piekbelasting en de duur van de piek te identificeren.
Bepalen van de gewenste piekbelastingreductie.
Berekenen van de vereiste energiecapaciteit en het vermogen op basis van de piekbelastingreductie en de duur van de piek.
Rekening houden met de DoD en systeemefficiëntie om ervoor te zorgen dat de batterij niet te diep wordt ontladen en dat het systeem efficiënt werkt.

4. De juiste technologie selecteren

De selectie van de juiste energieopslagtechnologie hangt af van de specifieke toepassingsvereisten en de kenmerken van de verschillende technologieën. Er moet een afwegingsanalyse worden uitgevoerd om de verschillende opties te evalueren op basis van factoren zoals:

Prestaties: Energiedichtheid, vermogensdichtheid, reactietijd, efficiëntie, cycluslevensduur en temperatuurgevoeligheid.
Kosten: Investeringskosten, operationele kosten en onderhoudskosten.
Veiligheid: Ontvlambaarheid, toxiciteit en risico op thermische doorslag (thermal runaway).
Milieueffecten: Beschikbaarheid van grondstoffen, productie-emissies en afvalverwerking aan het einde van de levensduur.
Schaalbaarheid: Mogelijkheid om het systeem op te schalen om aan toekomstige energieopslagbehoeften te voldoen.
Volwassenheid: Technologische gereedheid en beschikbaarheid van commerciële producten.

4.1 Technologievergelijkingsmatrix

Een technologievergelijkingsmatrix kan worden gebruikt om de verschillende energieopslagtechnologieën te vergelijken op basis van de belangrijkste selectiecriteria. Deze matrix moet zowel kwantitatieve als kwalitatieve gegevens bevatten om een uitgebreid overzicht te geven van de voor- en nadelen van elke technologie.

5. Het Power Conversion System (PCS) ontwerpen

Het PCS is een kritische component van het ESS dat gelijkstroom (DC) van de opslagtechnologie omzet in wisselstroom (AC) voor netaansluiting of AC-belastingen, en omgekeerd voor het laden. Het PCS-ontwerp moet rekening houden met de volgende factoren:

Vermogen: Het PCS moet worden gedimensioneerd om overeen te komen met het vermogen van de energieopslagtechnologie en de te bedienen belasting.
Spanning en stroom: Het PCS moet compatibel zijn met de spannings- en stroomeigenschappen van de energieopslagtechnologie en het net of de belasting.
Efficiëntie: Het PCS moet een hoge efficiëntie hebben om energieverliezen te minimaliseren.
Regelsysteem: Het PCS moet een geavanceerd regelsysteem hebben dat de spanning, stroom en frequentie van de wisselstroom kan regelen.
Netaansluiting: Het PCS moet voldoen aan de normen en vereisten voor netaansluiting in de specifieke regio.
Beveiliging: Het PCS moet ingebouwde beveiligingsfuncties hebben om het ESS te beschermen tegen overspanning, overstroom en andere fouten.

5.1 PCS-topologieën

Er zijn verschillende PCS-topologieën beschikbaar, elk met hun eigen voor- en nadelen. Veelvoorkomende topologieën zijn:

Centrale omvormer: Een enkele grote omvormer die het hele energieopslagsysteem bedient.
Stringomvormer: Meerdere kleinere omvormers aangesloten op afzonderlijke strings van batterijmodules.
Omvormer op moduleniveau: Omvormers geïntegreerd in elke batterijmodule.

6. Het energiebeheersysteem (EMS) ontwikkelen

Het EMS is het brein van het ESS, verantwoordelijk voor het bewaken en regelen van de energiestroom binnen het systeem. Het EMS-ontwerp moet rekening houden met de volgende factoren:

Regelalgoritmen: Het EMS moet regelalgoritmen implementeren die de prestaties van het ESS kunnen optimaliseren op basis van de specifieke toepassingsvereisten.
Gegevensverzameling: Het EMS moet gegevens verzamelen van verschillende sensoren en meters om de prestaties van het ESS te bewaken.
Communicatie: Het EMS moet communiceren met andere systemen, zoals de netbeheerder of het gebouwbeheersysteem.
Beveiliging: Het EMS moet robuuste beveiligingsfuncties hebben om het ESS te beschermen tegen cyberaanvallen.
Monitoring en bediening op afstand: Het EMS moet monitoring en bediening van het ESS op afstand mogelijk maken.

6.1 EMS-functies

Het EMS moet de volgende functies uitvoeren:

Schatting van de laadstatus (SoC): Nauwkeurig de SoC van de batterij schatten.
Vermogensregeling: Het laad- en ontlaadvermogen van de batterij regelen.
Spannings- en stroomregeling: De spanning en stroom van het PCS regelen.
Thermisch beheer: De temperatuur van de batterij bewaken en regelen.
Foutdetectie en -beveiliging: Fouten in het ESS detecteren en erop reageren.
Datalogging en rapportage: Gegevens over de prestaties van het ESS loggen en rapporten genereren.

7. Veiligheid en conformiteit waarborgen

Veiligheid is van het grootste belang bij het ontwerp van ESS. Het ESS-ontwerp moet voldoen aan alle toepasselijke veiligheidsnormen en -voorschriften, waaronder:

IEC 62933: Elektrische energieopslagsystemen (EES) – Algemene eisen.
UL 9540: Energieopslagsystemen en -apparatuur.
Lokale brandvoorschriften en bouwvoorschriften.

7.1 Veiligheidsoverwegingen

Belangrijke veiligheidsoverwegingen zijn onder meer:

Batterijveiligheid: Batterijen selecteren met robuuste veiligheidsfuncties en geschikte thermische beheersystemen implementeren om thermische doorslag te voorkomen.
Brandblussing: Brandblussystemen installeren om het brandrisico te beperken.
Ventilatie: Zorgen voor voldoende ventilatie om de ophoping van brandbare gassen te voorkomen.
Elektrische veiligheid: Implementeren van de juiste aarding en isolatie om elektrische schokken te voorkomen.
Noodstop: Voorzien in noodstopprocedures en -apparatuur.

7.2 Wereldwijde normen en voorschriften

Verschillende landen en regio's hebben hun eigen normen en voorschriften voor ESS. Het is belangrijk om op de hoogte te zijn van deze eisen en ervoor te zorgen dat het ESS-ontwerp eraan voldoet. Bijvoorbeeld:

Europa: De Europese Unie heeft voorschriften voor batterijveiligheid, recycling en milieueffecten.
Noord-Amerika: De Verenigde Staten en Canada hebben normen voor ESS-veiligheid en netaansluiting.
Azië: Landen als China, Japan en Zuid-Korea hebben hun eigen normen en voorschriften voor ESS.

8. Plannen voor installatie en inbedrijfstelling

Een goede planning voor installatie en inbedrijfstelling is essentieel voor een succesvol ESS-project. Dit omvat:

Locatiekeuze: Een geschikte locatie voor het ESS kiezen, rekening houdend met factoren als ruimte, toegang en omgevingscondities.
Vergunningen: Alle benodigde vergunningen en goedkeuringen van lokale autoriteiten verkrijgen.
Installatie: De juiste installatieprocedures volgen en gekwalificeerde aannemers gebruiken.
Inbedrijfstelling: De prestaties van het ESS testen en verifiëren voordat het in gebruik wordt genomen.
Training: Training geven aan personeel dat het ESS zal bedienen en onderhouden.

8.1 Best practices voor installatie

Best practices voor installatie zijn onder meer:

De instructies van de fabrikant volgen.
Gekalibreerde gereedschappen en apparatuur gebruiken.
Alle installatiestappen documenteren.
Grondige inspecties uitvoeren.

9. Exploitatie en onderhoud

Regelmatige exploitatie en onderhoud zijn essentieel om de langetermijnprestaties en betrouwbaarheid van het ESS te garanderen. Dit omvat:

Monitoring: Continu de prestaties van het ESS bewaken.
Preventief onderhoud: Regelmatige onderhoudstaken uitvoeren, zoals schoonmaken, inspectie en testen.
Correctief onderhoud: Defecte componenten repareren of vervangen.
Gegevensanalyse: Gegevens over de prestaties van het ESS analyseren om potentiële problemen te identificeren en de werking te optimaliseren.

9.1 Onderhoudsschema

Er moet een onderhoudsschema worden opgesteld op basis van de aanbevelingen van de fabrikant en de specifieke bedrijfsomstandigheden van het ESS. Dit schema moet zowel routinetaken als meer uitgebreide inspecties omvatten.

10. Kostenanalyse en economische levensvatbaarheid

Een grondige kostenanalyse is essentieel om de economische levensvatbaarheid van een ESS-project te bepalen. Deze analyse moet de volgende kosten in overweging nemen:

Investeringskosten: De initiële kosten van het ESS, inclusief de batterij, PCS, EMS en balance of plant.
Installatiekosten: De kosten voor het installeren van het ESS.
Operationele kosten: De kosten voor de exploitatie van het ESS, inclusief elektriciteitsverbruik en onderhoud.
Onderhoudskosten: De kosten voor het onderhouden van het ESS.
Vervangingskosten: De kosten voor het vervangen van de batterij of andere componenten.

De voordelen van het ESS moeten ook worden overwogen, zoals:

Besparingen op energiekosten: Besparingen door piekscheren, lastverschuiving en lagere vermogenskosten.
Inkomstengeneratie: Inkomsten uit het leveren van netdiensten, zoals frequentieregeling en spanningsondersteuning.
Noodstroom: De waarde van het leveren van noodstroom tijdens storingen.
Integratie van hernieuwbare energie: De waarde van het mogelijk maken van de integratie van hernieuwbare energiebronnen.

10.1 Economische maatstaven

Veelgebruikte economische maatstaven om ESS-projecten te evalueren zijn:

Netto Contante Waarde (NCW): De contante waarde van alle toekomstige kasstromen, minus de initiële investering.
Interne Rentabiliteit (IRR): De disconteringsvoet waarbij de NCW gelijk is aan nul.
Terugverdientijd: De tijd die nodig is voordat de cumulatieve kasstromen gelijk zijn aan de initiële investering.
Gelijkgestelde kosten van energieopslag (LCOS): De kosten van het opslaan van energie gedurende de levensduur van het ESS.

11. Toekomstige trends in energieopslag

De energieopslagindustrie evolueert snel, met voortdurend nieuwe technologieën en toepassingen die opkomen. Enkele belangrijke trends zijn:

Dalende batterijkosten: De kosten van batterijen dalen snel, waardoor ESS economisch levensvatbaarder wordt.
Vooruitgang in batterijtechnologie: Nieuwe batterijtechnologieën worden ontwikkeld met een hogere energiedichtheid, langere cycluslevensduur en verbeterde veiligheid.
Verhoogde netintegratie: ESS speelt een steeds belangrijkere rol in netstabilisatie en de integratie van hernieuwbare energie.
Opkomst van nieuwe toepassingen: Er ontstaan nieuwe toepassingen voor ESS, zoals het opladen van elektrische voertuigen en microgrids.
Ontwikkeling van nieuwe bedrijfsmodellen: Er worden nieuwe bedrijfsmodellen ontwikkeld voor ESS, zoals energieopslag als een dienst (Energy Storage as a Service).

12. Conclusie

Het ontwerpen van robuuste en effectieve energieopslagsystemen vereist een zorgvuldige afweging van verschillende factoren, waaronder technologieselectie, dimensionering, veiligheid en economie. Door de richtlijnen in deze gids te volgen, kunnen ingenieurs en projectontwikkelaars ESS ontwerpen die voldoen aan de specifieke behoeften van hun toepassingen en bijdragen aan een duurzamere energietoekomst. De wereldwijde implementatie van ESS is essentieel om de overgang naar een schoner en veerkrachtiger energiesysteem mogelijk te maken, en het begrijpen van de principes van ESS-ontwerp is cruciaal om dit doel te bereiken.