Zonne-energie 's nachts gebruiken: alternatieven

Fotovoltaïsche modules wekken elektriciteit op wanneer er voldoende zoninstraling is. Na zonsondergang is een conventioneel PV-veld geen actieve bron meer, dus nachtelijke belastingen moeten worden gevoed uit een andere bron, zoals het openbare net, een batterij, een generator of een combinatie daarvan.

Opslag verandert wanneer zonne-energie kan worden gebruikt, niet hoe de PV-modules die opwekken. Op momenten dat de PV-productie hoger is dan de directe vraag van de locatie, kan een deel van die energie naar een batterij worden geleid, als de systeemarchitectuur, de bedieningsregels en de laadtoestand van de batterij dat toelaten. De opgeslagen energie kan later worden ontladen wanneer de PV-productie lager is of ontbreekt.

De belangrijke ontwerpvraag is dus niet alleen hoeveel elektriciteit het PV-veld overdag produceert. Het systeem moet rekening houden met wanneer energie wordt opgewekt, wanneer die wordt verbruikt, hoeveel er daadwerkelijk kan worden opgeslagen en welke verliezen er optreden tussen laden en later gebruik.

Een batterij is ook niet voor elke PV-installatie nodig. Netgekoppelde locaties kunnen de zonneproductie overdag verbruiken en 's nachts elektriciteit van het net afnemen, voor zover de aansluiting en de lokale regels dat bedrijfsmodel toestaan.

Bij een netgekoppelde locatie kan het nachtelijke verbruik doorgaans een kwestie van netvoeding blijven, tenzij de eigenaar een reden heeft om energie tussen tijdsperioden te verschuiven of bepaalde belastingen tijdens een storing in stand te houden. Batterijen toevoegen alleen omdat de locatie PV heeft, kan zorgen voor apparatuur, regeling, onderhoud, omzettingsverliezen en bedrijfsbeperkingen die voor de werkelijke doelstelling mogelijk niet nodig zijn.

Het uitgangspunt moet het belastingprofiel van de locatie zijn. Een woning met weinig nachtelijke vraag stelt een ander opslagvraagstuk dan een bedrijfspand met koeling, pompen, servers, procesapparatuur of andere belastingen die de hele nacht doorlopen. Het maandelijkse energieverbruik alleen kan die verschillen niet beschrijven.

Ook het tijdstip van de belasting speelt mee. Twee locaties kunnen op een dag evenveel kilowattuur verbruiken en toch zeer verschillende batterijsystemen nodig hebben, omdat de ene de vraag concentreert in een korte avondperiode en de andere de hele nacht een constante belasting heeft.

Ook de netafspraken horen in de analyse. Regels voor invoeding en afname, beschikbare aansluitcapaciteit, tariefstructuur, meetopstelling en lokale technische eisen kunnen bepalen of opslag operationeel nuttig is. Deze vragen hangen af van het feitelijke rechtsgebied en het elektriciteitscontract, niet van een universele regel voor zon en opslag.

Voordat apparatuur wordt gekozen, moet de exploitant dus drie vragen scheiden: hoeveel nachtelijke energie nodig is, hoeveel ogenblikkelijk vermogen moet worden geleverd en of het net in die periode beschikbaar blijft.

Batterijcapaciteit en batterijvermogen zijn verschillende grootheden. De energiecapaciteit wordt normaal uitgedrukt in kilowattuur en beschrijft hoeveel energie binnen het bruikbare bereik kan worden opgeslagen of geleverd. Het vermogen, uitgedrukt in kilowatt, beschrijft hoe snel de batterij en de bijbehorende vermogenselektronica energie kunnen leveren of opnemen.

Een batterij kan dus voldoende energie hebben voor een nachtelijke behoefte en toch een grote ogenblikkelijke belasting niet aankunnen. Het omgekeerde is ook mogelijk: een systeem kan korte tijd veel vermogen leveren maar te weinig bruikbare energie hebben om meerdere uren verbruik te dekken.

Het bruikbare deel van de nominale capaciteit hangt af van het batterijsysteem, de bedrijfsgrenzen, de regeling van de laadtoestand, de temperatuur, de degradatietoestand en de toegestane ontladingsdiepte. Gebruik de fabrikantgegevens van het werkelijke product en ga er niet van uit dat de volledige capaciteit op het typeplaatje elke nacht kan worden ontladen.

Ook omzettingsverliezen moeten worden meegenomen. Tussen de PV-opwekking en de uiteindelijke AC-belasting kan energie door een lader, omvormer, batterij, bekabeling en regelapparatuur gaan. De energie die 's nachts wordt teruggewonnen is dus niet gelijk aan de energie die oorspronkelijk van het veld beschikbaar was.

Het relevante belastingprofiel bevat idealiter zowel kortdurende pieken als de totale energie. Motoren, pompen, HVAC-apparatuur of andere apparaten kunnen aanloop- of gelijktijdigheidssituaties veroorzaken die de vermogenseisen aan omvormer en batterij beïnvloeden, ook als hun totale nachtelijke energieverbruik beperkt is.

Een bruikbare opslagberekening begint met gemeten verbruik in de tijd. Uur- of fijnere gegevens laten zien hoe de vraag na zonsondergang verandert, wanneer de hoogste belastingen optreden en hoeveel energie moet worden geleverd voordat de zonneproductie hervat of de netvoeding weer beschikbaar is.

Ook seizoensvariatie moet worden meegewogen. Winternachten kunnen langer zijn terwijl de PV-productie de dag ervoor lager is, en sommige gebouwen hebben verwarmings-, koel-, irrigatie- of procesbelastingen die door het jaar heen variëren. Een batterij die is gedimensioneerd op één gunstige dag, gedraagt zich in een ander seizoen mogelijk anders.

Het ontwerp hangt ook af van de doelstelling. Energie verschuiven, netafname in bepaalde perioden verminderen, een off-grid belasting voeden en noodstroom bij een storing leveren zijn verschillende eisen. Elk kan voor dezelfde locatie leiden tot een ander ontwerp qua capaciteit, vermogen, regeling en omvormer.

Overdimensionering is niet automatisch veiliger of zuiniger. Extra batterijcapaciteit kan onderbenut blijven als het PV-systeem te weinig overschot produceert om die te laden of als de nachtelijke belasting van de locatie klein is. Onderdimensionering kan er evengoed voor zorgen dat een deel van de beoogde belasting afhankelijk blijft van een andere bron.

De berekening moet dus haar aannames expliciet vermelden: verwachte belasting, bruikbare capaciteit, omzettingsverliezen, laadmogelijkheden, omgevingsomstandigheden, operationele reserve en eventueel vereiste autonomie. Eén generieke batterijgrootte is niet toepasbaar op uiteenlopende installaties.

Fotovoltaïsch-thermische systemen, kortweg PV/T, combineren fotovoltaïsche elektriciteitsopwekking met het opvangen van bruikbare thermische energie. Afhankelijk van het ontwerp kan warmte worden overgedragen aan lucht of vloeistof voor toepassingen zoals waterverwarming of andere thermische belastingen. De technologie richt zich op zowel de elektrische als de thermische energiestromen van de beschikbare zonnebron.

PV/T mag niet worden verward met elektrische batterijopslag. Warmte opvangen overdag levert op zichzelf geen opgeslagen elektrische energie voor gangbare nachtelijke apparaten. Als elektrische belastingen moeten werken nadat de zonne-opwekking is gestopt, heeft het systeem nog steeds een geschikte elektrische bron nodig, zoals het net, een batterij of een andere generator.

Thermische opslag kan nuttig zijn wanneer de nachtelijke behoefte zelf thermisch is. Verwarmd water of een ander thermisch medium kan soms worden opgeslagen voor later gebruik, maar dat is een ander technisch vraagstuk dan het voeden van elektrische belastingen met een batterij.

Andere benaderingen kunnen ook de benodigde elektrische opslag verkleinen. Sommige belastingen kunnen naar de daguren worden verschoven, worden geregeld op basis van de beschikbare PV-productie of direct worden gevoed terwijl het veld opwekt. Of dat haalbaar is, hangt af van het proces en de eisen van de gebruiker.

Het ontwerp moet dus beginnen bij de dienst die 's nachts nodig is. Elektrische energie, thermische energie, ononderbroken noodstroom en eenvoudige belastingverschuiving mogen niet als onderling verwisselbare doelen worden behandeld.

Een batterij toevoegen geeft een gebouw niet automatisch ononderbroken stroom bij een netstoring. Veel netgekoppelde PV- en opslagsystemen zijn ontworpen om zich indien nodig van het openbare net los te koppelen, en noodstroombedrijf hangt af van de omvormer, schakelapparatuur, regeling, de opzet van beschermde belastingen en de systeemconfiguratie.

De ontwerper moet bepalen welke belastingen noodstroom nodig hebben. Verlichting, communicatie of bepaalde kritieke apparatuur voeden is iets anders dan proberen de hele locatie te laten draaien. Piekvermogen, aanloopstromen, de verwachte duur van de storing en de beschikbare opgeslagen energie spelen allemaal een rol in die beslissing.

Ook de overgang naar noodstroombedrijf is van belang. Sommige toepassingen verdragen een korte onderbreking, terwijl andere een andere continuïteitseis stellen. De gekozen apparatuur en elektrische architectuur moeten het beoogde gedrag ondersteunen, in plaats van uit te gaan van alleen de aanwezigheid van een batterij.

PV-productie tijdens een storing kan soms energie leveren aan een correct geconfigureerd noodstroomsysteem, maar dat hangt af van de omvormer- en opslagarchitectuur. Zonnemodules die op een systeem zijn aangesloten, garanderen niet dat hun opbrengst beschikbaar blijft wanneer het net uitvalt.

Het noodstroomontwerp moet dus los van gewone nachtelijke energieverschuiving worden gespecificeerd. Een systeem kan geschikt zijn om opgeslagen zonne-energie na zonsondergang te gebruiken en toch ongeschikt zijn voor het vereiste storingsscenario.

De keuze van een batterij moet zijn gebaseerd op gedocumenteerde bedrijfsomstandigheden, niet op een eenvoudige vergelijking van nominale kilowattuur. Bruikbare ontladingsdiepte, laad- en ontlaadvermogen, temperatuurgrenzen, cyclusgedrag, regelinstellingen, omvormercompatibiliteit en installatieomgeving kunnen allemaal het praktische gebruik beïnvloeden.

Garantievoorwaarden moeten rechtstreeks worden gelezen in de documentatie van de fabrikant of leverancier van het voorgestelde systeem. Ze kunnen bedrijfsvoorwaarden, doorzetlimieten, tijdslimieten, temperatuureisen of andere bepalingen bevatten en mogen niet worden veralgemeend over batterijtechnologieën of merken.

Ook lokale netregels zijn van belang. Aansluiteisen, invoedingslimieten, beveiligingsinstellingen, meting en goedkeuringsprocessen verschillen per rechtsgebied en systeemtype. Een opslagconfiguratie die technisch mogelijk is, kan op een andere locatie toch een andere aansluitregeling vereisen.

Financiële aannames vragen om dezelfde voorzichtigheid. Elektriciteitsprijzen, tariefperioden, batterijbenutting, toekomstige belasting, degradatie, onderhoud, financiering en beschikbaar PV-overschot beïnvloeden allemaal het economische resultaat. Zonder die gegevens kan op verantwoorde wijze geen vaste terugverdientijd worden genoemd.

Opslagplanning moet dus beginnen met gemeten belastingen en een vastgelegde bedrijfsdoelstelling. De batterij is slechts één onderdeel van het systeem; omvormergedrag, netaansluiting, regellogica, elektrische beveiliging, omgevingsomstandigheden en het werkelijke verbruiksprofiel bepalen of het voorgestelde ontwerp aan de nachtelijke behoefte kan voldoen.